Применение оптического трансивера 800 Гбит/с

Прогноз рынка и сценарии применения

Появление новых услуг, таких как виртуальная реальность 4K (VR), Интернет вещей и облачные вычисления, выдвинуло более высокие требования к пропускной способности сети, параллельному доступу и производительности в реальном времени. По прогнозу Omdia, поскольку спрос на полосу пропускания будет продолжать расти в ближайшие несколько лет, хотя оптические трансиверы на 100, 200 и 400 Гбит/с по-прежнему будут занимать наибольшую долю рынка, оптический трансивер на 800 Гбит/с будет развернут в больших масштабах. в 2025 году.

Рис. 1. Схема архитектуры сети 800GE.

Как показано на рисунке 1, в соответствии со структурой сети 800 GE расстояние подключения от коммутатора на верхней части стойки (TOR) до листового коммутатора может составлять от десятков метров до сотен метров. Для этой части соединения крупные интернет-компании обычно применяют технологию соединения 100 Гбит/с и с 200 года постепенно переходят на технологию 400 Гбит/с или 2021 Гбит/с. Некоторые ведущие компании начали испытания технологии 800 Гбит/с в 2023. Соединение коммутатора Leaf с коммутатором Spine или коммутатора Spine с базовым маршрутизатором может решить проблему межсетевого взаимодействия внутри кампуса или между соседними кампусами. Расстояние соединения может достигать 2 км или даже 10 км. Начиная с 100 года скорость интерфейса была постепенно повышена со 200 Гбит/с до 400 Гбит/с или 2021 Гбит/с. Под соединением центров обработки данных (DCI) обычно понимается соединение между несколькими соседними центрами обработки данных для балансировки нагрузки или резервного копирования для аварийного восстановления. Расстояние связи может достигать десятков километров. На таком большом расстоянии, поскольку ресурсы оптического волокна относительно ценны, люди в основном используют плотное мультиплексирование с разделением по длине волны и когерентную связь, чтобы повторно использовать ресурсы оптического волокна в максимально возможной степени. Мы разделяем сценарии применения оптического трансивера 800 Гбит/с на SR (сценарий 100 м), DR/FR/LR (сценарий 500 м/2 км/10 км) и ER/ZR (сценарий 40 км/80 км).

Техническое решение

Обзор Программы

Эволюция технических решений 800 Гбит/с включает в себя 3 поколения. Первое поколение — 8 оптических и 8 электрических решений: оптический интерфейс — 8×100 Гбит/с, электрический интерфейс — 8×100 Гбит/с, коммерческое время — 2021 год; Второе поколение — 4 оптических и 8 электрических решений: оптический интерфейс 4×200 Гбит/с, электрический интерфейс 8×100 Гбит/с, коммерчески доступный в 2024 году; Третье поколение — это 4 оптических и 4 электрических решения: оптический интерфейс 4×200 Гбит/с, электрический интерфейс 8×100 Гбит/с, которые, как ожидается, поступят в продажу в 2026 году. В долгосрочной перспективе (в течение 5 лет) оптические/электрические будет популяризирована одноканальная технология 200 Гбит/с; В краткосрочной перспективе (в течение 3 лет), поскольку одноканальные оптоэлектронные устройства со скоростью 200 Гбит/с и технология выравнивания еще не развиты, отрасли все еще нужно время, чтобы преодолеть соответствующие технические узкие места.

Электрический интерфейс и упаковка

Из разработки оптического приемопередатчика с прямой модуляцией и прямым обнаружением со скоростью 100 Гбит/с мы можем сказать, что когда одноканальная скорость электрического интерфейса такая же, как и у оптического интерфейса, архитектура оптического приемопередатчика достигнет оптимального состояния с Преимущества низкого энергопотребления и низкой стоимости. Одноканальный электрический интерфейс 100 Гбит/с будет идеальным электрическим интерфейсом для оптического приемопередатчика 8×100 Гбит/с, а одноканальный электрический интерфейс 200 Гбит/с будет идеальным электрическим интерфейсом для 4×200 Гбит/с. оптический трансивер. Что касается упаковки, оптический приемопередатчик 800 Гбит / с может существовать в различных формах, таких как счетверенный подключаемый модуль двойной плотности с малым форм-фактором (QSFPDD800) и восьмеричный подключаемый модуль малого форм-фактора (OSFP). Из-за таких факторов, как проводка внутри модуля и потеря разъема, подключаемый оптический трансивер на основе электрических интерфейсов 200 Гбит/с по-прежнему сталкивается со многими проблемами.

Оптический интерфейс

Существует три основных типа архитектур оптических интерфейсов оптических приемопередатчиков 800 Гбит/с, как показано на рисунке 2. (1) Оптический приемопередатчик с 8-уровневой импульсно-амплитудной модуляцией (PAM100) 4×4 Гбит/с: Приемопередатчик PAM4 работает на скорости 53 Гбит/с. и использует 8 пар цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и аналого-цифровых преобразователей (АЦП), 8 лазеров, 8 пар оптических трансиверов и 1 пару 8-канального мультиплексора с грубым разделением по длине волны (CWDM) или Ethernet. мультиплексирование с разделением по длине волны на основе каналов (LAN-WDM) (в зависимости от дисперсионных потерь в волокне), мультиплексор и демультиплексор (не требуется для сценариев применения SR/DR). (2) Оптический приемопередатчик PAM4 200×4 Гбит/с: Приемопередатчик PAM4 работает на скорости 106 Гбит/с, используя 4 пары ЦАП и АЦП, 4 пары оптических приемопередатчиков (включая 4 лазера) и 1 пару 4-канальных CWDM или LAN. -Мультиплексор и демультиплексор WDM (в зависимости от дисперсионных потерь в волокне) (не требуется для сценариев применения SR/DR). (3) Когерентный оптический модуль 800 Гбит/с: работает на скорости 128 Гбод при двойной поляризации, шестнадцатиквадратурной амплитудной модуляции (16QAM). Он использует 4 пары ЦАП и АЦП, 1 лазер и 1 пару оптических приемопередатчиков, что позволяет использовать лазеры с фиксированной длиной волны в когерентных оптических модулях центров обработки данных для снижения стоимости и энергопотребления.

Рисунок 2. Три архитектуры оптического интерфейса оптического приемопередатчика 800 Гбит/с.

Решение для прямой настройки и прямого контроля 8×100 Гбит/с может использовать существующую техническую архитектуру. Соответствующие технологии и стандарты относительно зрелы, а цепочка поставок также относительно завершена. В сценарии SR технология поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором (VCSEL) 100 Гбит/с сталкивается с проблемами. Улучшение производительности многомодовых решений и снижение стоимости многомодового оптического волокна станут ключевыми факторами дальнейшего развития этой технологии. одномодовые технологии, представленные кремниевой фотоникой (SiPh) и лазерами с прямой модуляцией (DML), быстро развиваются. Среди них быстрее развивается технология SiPh, которая, как ожидается, в будущем будет конкурировать с многомодовыми решениями в сценариях применения с дальностью передачи 100 м и ниже. В сценарии DR/FR есть три решения: электроабсорбционно-модулированный лазер (EML), DML и SiPh.

В сфере LR существуют схемы LR800 со скоростью 8 Гбит/с, основанные на грубом мультиплексировании с разделением по длине волны (CWDM), мультиплексировании с разделением по длине волны (LWDM) и узкополосном мультиплексировании с разделением по длине волны (nLWDM), которые все еще находятся на стадии исследования. С точки зрения выбора длины волны, из-за большой дисперсии длины волны на краю O-диапазона, LWDM8 превосходит CWDM8 с точки зрения штрафа за дисперсию. В настоящее время решения для прямой настройки и прямого контроля на расстояниях 10 км и выше в основном сталкиваются с проблемами дисперсии «наихудшего случая» и узкого согласования допусков дисперсии.

Создание новой системы длин волн и сжатие многоканального диапазона длин волн может соответствующим образом сузить дисперсию в худшем случае, тем самым упрощая конструкцию цифровой обработки сигналов (DSP) и снижая теоретическое энергопотребление. Например, расстояние, ограниченное дисперсией, для решения прямой модуляции и прямого обнаружения 8×100 Гбит/sPAM4 составляет около 10 км, когда применяется решение LWDM с разносом 800 ГГц. При использовании решения nLWDM с разносом 400 ГГц расстояние, ограниченное дисперсией, может быть увеличено до 20 км. При использовании решения nLWDM с разносом 200 ГГц расстояние, ограниченное дисперсией, может быть увеличено до 40 км. В то же время одним из решений также является сжатие распределения точки нулевой дисперсии или диапазона дрейфа и уменьшение соответствующего диапазона дисперсии. Однако, поскольку распределение точек нулевой дисперсии волоконно-оптических изделий разных производителей неравномерно, реализовать крупномасштабное сжатие по-прежнему сложно.

Для решения прямой модуляции и прямого обнаружения 4×200 Гбит/с одноканальная скорость 200 Гбит/с продолжает использовать тип кода модуляции PAM4 и может использовать преимущества относительно зрелой промышленной инфраструктуры PAM4 (но возможность новой модуляции типы кодов не исключены). В сценариях приложений DR и FR 4×200 Гбит/с в настоящее время существует два технических решения: 4-канальный одномодовый параллельный канал (PSM4) и CWDM4.

Эти два решения по-прежнему сталкиваются со многими проблемами и требуют дальнейших исследований. Для сценариев применения LR существуют решения LR800 со скоростью 4 Гбит/с на основе CWDM, LWDM и nLWDM. Эти решения все еще находятся на стадии исследования и обсуждения и требуют оптоэлектронных чипов с высокой пропускной способностью, более мощной технологии выравнивания и прямой коррекции ошибок (FEC) для обеспечения скорректированной частоты ошибок по битам (BER). Пропускная способность устройств когерентных оптических модулей со скоростью 800 Гбит/с нуждается в значительном улучшении, и удвоить пропускную способность за один прием сложно. Когерентный оптический модуль 800 Гбит/с на базе устройств 96 ГБд должен использовать типы кодов модуляции более высокого порядка. Этот метод имеет такие недостатки, как низкое отношение оптического сигнала к шуму (OSNR), ограниченное расстояние передачи и сценарии применения. Когерентный оптический модуль с двойной поляризацией (DP)-128QAM на базе 16 ГБд имеет лучший OSNR и пропускную способность и станет основным решением для реализации когерентной связи 800 Гбит/с.

FEC

FEC обычно делится на три категории: сквозное FEC, вложенное каскадное FEC и сегментированное FEC. В отрасли обычно считается, что применение решения прямой модуляции и прямого обнаружения 8×100 Гбит/с на расстоянии передачи 40 км может быть достигнуто с помощью сквозного FEC KP4. Для дальности передачи 40 км можно использовать более сильный FEC.

Решение с прямой модуляцией и прямым обнаружением 4×200 Гбит/с имеет более высокую скорость и поэтому требует введения нового стандарта BER, нового метода кодирования FEC и более сложного эквалайзера. Рабочие группы IEEE 802.3 B400G SG (Исследовательская группа Института инженеров по электротехнике и электронике 802.3 после 400 Гбит/с) и 800G Pluggable MSA (Соглашение о подключаемых источниках 800 Гбит/с) начали соответствующие обсуждения. Каскадный метод может стать новым путем для решений прямой модуляции и прямого обнаружения 4×200 Гбит/с. Этот подход не только сохраняет KP4 FEC и позволяет избежать дополнительных затрат на интеграцию нового FEC в основной чип, но также обеспечивает дополнительную защиту оптического канала за счет легкого и простого в реализации FEC в оптическом приемопередатчике, снижая энергопотребление и задержку. вызванное декодированием. Что касается эффективности исправления ошибок, различные каскадные внутренние коды, такие как KP4+BCH (144,136), могут уменьшить диапазон посткоррекции до менее 1E-13 на основе диапазона частоты ошибок по битам перед коррекцией от 1 до 2E-3. В то же время наибольший спрос на скорость 800 Гбит/с в настоящее время исходит от центров обработки данных OTT (интернет-операторов) и сценариев высокопроизводительных вычислений. Эти сценарии предъявляют высокие требования к чувствительности к задержкам. Алгоритм FEC с малой задержкой стал одним из основных требований скорости 800 Гбит/с.

Когерентность 800 Гбит/с включает 800 Гбит/сLR и 800 Гбит/с ZR. Поэтому нам необходимо разработать алгоритмы FEC для различных сценариев применения. (1) Для сценария 800LR требуется кампусная сеть длиной 10 км, к которой предъявляются высокие требования к задержке и энергопотреблению. В настоящее время решения включают каскад KP4+eHamming/eBCH, пространственно-связанный код FEC (XR-FEC), кластерный FEC (CFEC), Zipper, облегченный открытый FEC (OFEC) и т. д. Среди них каскадное решение имеет что-то общее с каскадное решение с прямой модуляцией и прямым обнаружением 4×200 Гбит/с. Соединение между двумя путями может еще больше снизить сложность основного чипа. (2) Сценарий 800ZR в основном используется в DCI и является продолжением стандарта 400ZR Оптического межсетевого форума (OIF). 800ZR использует формат модуляции DP-16QAM, что создает определенные проблемы для возможностей CFEC. Для этого могут потребоваться решения FEC с более сильными возможностями исправления ошибок, такие как многоуровневое кодирование (MLC) и OFEC.

Технология эквализации

Для достижения скорости одноканальной передачи данных 200 Гбит/с оптоэлектронные чипы должны пройти модернизацию производительности, например, SerDes 200 Гбит/с, оптоэлектронные чипы и устройства с полосой пропускания выше 50 ГГц и т. д. Согласно текущим отчетам технических исследований Оптические чипы с полосой пропускания выше 50 ГГц относительно легко получить. Ключевым моментом, который следует учитывать, является обеспечение оптимальной производительности других индикаторов при одновременном улучшении пропускной способности. В настоящее время пропускная способность электрических чипов Driver и TIA не может соответствовать требованиям скорости, а также требует возможностей балансировки. Улучшая собственную полосу пропускания, эти электронные чипы должны обеспечивать эффект оптимизации сигнала на системном уровне. Эффективная технология выравнивания может значительно снизить требования системы к полосе пропускания оптоэлектронных устройств.

Общие методы выравнивания включают выравнивание с прямой связью (FFE), выравнивание с обратной связью по решению (DFE) и выравнивание последовательности максимального правдоподобия (MLSE). Среди них FFE широко используется в системах SerDes и чипах DSP оптических сигналов (oDSP) благодаря своей простой реализации. Чтобы снизить потребность в одноканальной полосе пропускания оптоэлектронных устройств 200 Гбит/с, с одной стороны, в передатчике может использоваться технология предварительной коррекции FFE для компенсации пропускной способности передающего устройства; с другой стороны, в oDSP можно применить более мощную технологию выравнивания, чтобы смягчить влияние ограничения полосы пропускания на снижение производительности системы. Для 5-отводной коррекции FFE, используемой в одноволновом стандарте 100 Гбит/с, при увеличении скорости до 200 Гбит/с количество отводов FFE увеличится. Хотя в качестве решения также можно использовать более высокопроизводительный алгоритм выравнивания MLSE, реализация MLSE более сложна и требует большого объема вычислений, что приведет к увеличению энергопотребления oDSP.