В связи с быстрым ростом крупных моделей искусственного интеллекта современным центрам обработки данных требуются более быстрые и широкополосные технологии передачи информации для обработки постоянно растущего объема данных. Оптоволоконная связь благодаря своей уникальной высокой пропускной способности и низким потерям стала идеальным методом передачи данных для современных центров обработки данных. Модуль оптического приемопередатчика, являющийся основным компонентом волоконно-оптических систем связи, отвечает за преобразование оптических и электрических сигналов. Его производительность напрямую влияет на стабильность и эффективность всей системы связи. Поэтому FiberMall стремится углубиться в фундаментальные принципы модуля оптического приемопередатчика 800 Гбит/с и проверить его производительность на практике посредством разработки и тестирования.
FiberMall впервые представляет основные компоненты модуля оптического приемопередатчика 800 Гбит/с, включая блок передатчика, блок приемника, блок управления и чип цифровой обработки. Затем он подробно описывает передовые технологии и концепции дизайна, используемые в модуле, чтобы обеспечить стабильную работу даже в условиях высокоскоростной передачи. В дальнейшем, разрабатывая и тестируя модуль оптического приемопередатчика 800G OSFP 2xDR4, мы оцениваем, соответствуют ли его ключевые показатели производительности ожидаемым требованиям. Благодаря тщательным процессам разработки и тестирования мы обнаружили, что модуль оптического приемопередатчика 800 Гбит/с соответствует всем ожидаемым критериям производительности. Его выдающиеся характеристики делают его хорошо подходящим для нынешних условий.
В последние годы ChatGPT добился феноменальной популярности. С момента запуска база пользователей ChatGPT увеличилась и насчитывает более 100 миллионов активных пользователей в месяц, что делает его одним из самых быстрорастущих потребительских приложений в истории. Популярность ChatGPT выходит за рамки количества пользователей — он широко применяется и оказывает влияние. Он обслуживает различные области, такие как интеллектуальное обслуживание клиентов, виртуальные помощники и умные дома, предоставляя удобные и эффективные услуги. Кроме того, ChatGPT привлек внимание многих компаний и разработчиков, которые широко используют его в различных областях. Отраслевой консенсус признает ChatGPT одной из моделей искусственного интеллекта, которая с наибольшей вероятностью пройдет тест Тьюринга, что еще больше усиливает ее влияние в области искусственного интеллекта.
На этом фоне появляется модуль оптического трансивера OSFP 800xDR2 4 Гбит/с, предлагающий одноканальное решение параллельной передачи 100 Гбит/с для отрасли. Пакет OSFP 2xDR4 представляет собой восьмиканальный подключаемый оптический модуль малого форм-фактора, который обеспечивает более высокую интеграцию при сохранении производительности в том же объеме. Этот модуль обеспечивает более высокую скорость передачи без увеличения его физического размера.
Модуль оптического трансивера 800G OSFP 2xDR4 обеспечивает как одноканальную параллельную передачу 100 Гбит/с, так и восьмиканальную передачу. По сравнению с четырехканальной передачей 100 Гбит/с оптических модулей с тем же форм-фактором, он достигает удвоения скорости передачи. Эта инновационная технология позволяет оптическому модулю обеспечивать более высокую эффективность передачи данных в том же объеме, тем самым снижая затраты на полосу пропускания сети.
Внедрение модуля оптического приемопередатчика 800G OSFP 2xDR4 обеспечивает надежную поддержку быстрого развития облачных вычислений и больших данных. Благодаря меньшему форм-фактору, более высокой скорости передачи, более низкому энергопотреблению и повышенной надежности этот модуль отвечает требованиям современной сетевой связи. Его применение будет способствовать улучшению использования пропускной способности сети, снижению общих затрат, а также стимулированию обновлений и технологических инноваций в системах оптоволоконной связи.
Проектирование оптического модуля
Функциональная структура модуля
Основные компоненты модуля оптического приемопередатчика OSFP 800xDR2 со скоростью 4 Гбит/с включают в себя микросхему цифровой обработки сигналов (DSP), приемный оптический узел (ROSA), передающий оптический узел (TOSA) и микропрограммный блок управления (MCU). Эти компоненты работают вместе для достижения высокоскоростной передачи данных внутри модуля.
Чип высокоскоростной цифровой обработки сигналов
Внутри оптического модуля решающую роль играет высокопроизводительный DSP. Он извлекает и восстанавливает информацию цифровых часов из выходного сигнала коммутатора, устраняя шум. Кроме того, DSP выполняет компенсацию дисперсии и устранение нелинейных помех в полученном оптическом сигнале, чтобы обеспечить точность и неискаженность данных. Этот компонент также участвует в процессе связи между электрическими и оптическими интерфейсами оптического модуля, облегчая преобразование данных и выполнение операций. На стороне приемника DSP имеет адаптивную линейную коррекцию, компенсирующую разницу амплитуд в зависимости от изменений частоты сигнала, что еще больше повышает эффективность и качество передачи данных.
Технология цифровой обработки сигналов (DSP) играет решающую роль в оптических модулях. Он тесно связан не только с «Золотым пальцем», который служит точкой контакта для передачи данных, но и с ключевыми компонентами, такими как драйвер и трансимпедансный усилитель (TIA). Вместе они обеспечивают эффективную работу оптических модулей.
Преобразование и обработка сигналов:
Технология DSP в первую очередь занимается преобразованием и обработкой сигналов в оптических модулях. Когда оптические сигналы проходят через модуль, DSP преобразует аналоговые сигналы в цифровой формат и выполняет необходимую обработку для поддержания качества и целостности сигнала. Высококачественные сигналы необходимы для точной и надежной передачи данных.
Соединение с золотым пальцем:
Соединение между DSP и Golden Finger имеет решающее значение для передачи данных. Золотой палец действует как точка физического контакта, передавая электрические сигналы от оптического модуля к другим устройствам (например, компьютерам или сетевому оборудованию). DSP обеспечивает минимальные ошибки и помехи в сигналах, передаваемых через Golden Finger, повышая эффективность и стабильность передачи данных.
Сотрудничество водителей:
Соединение DSP с драйвером обеспечивает эффективную передачу сигнала от оптического модуля. Драйвер управляет лазером и регулирует его интенсивность и частоту на основе инструкций DSP, адаптируясь к различным требованиям передачи. Такое тесное сотрудничество оптимизирует производительность отправки модуля, улучшая качество сигнала и дальность передачи.
Ссылка ТИА для приема:
Соединение между DSP и трансимпедансным усилителем (TIA) имеет решающее значение для обработки сигнала на приемной стороне. TIA усиливает оптические сигналы, полученные по волокну, и преобразует их в электрические сигналы. DSP дополнительно обрабатывает и анализирует выходные данные TIA, чтобы обеспечить точный прием данных.
Кроме того, влияние линейной фильтрации на низкочастотные сигналы может нарушить электронную передачу информации. Когда текущие сигналы испытывают внезапные изменения, низкочастотная фильтрация линии может ослабить разницу напряжений, принимаемую DSP, приближаясь к порогу принятия решения. Это может привести к увеличению частоты ошибок и даже к сбоям в работе сетевых служб. Чтобы решить эту проблему, DSP использует методы предварительного выделения, гарантируя достаточные пороговые значения при оценке сигнала на стороне коммутатора для предотвращения ошибочных оценок.
Блок выбросов
В блоке оптической эмиссии чип лазерного драйвера действует как электрический переключатель, обеспечивая пороговый ток, необходимый для нормальной работы лазерного чипа. Чтобы обеспечить стабильную работу лазерного чипа, ток драйвера должен превышать пороговый ток.
Характеристики полупроводника диктуют, что с повышением температуры пороговый ток лазерного чипа постепенно увеличивается. Следовательно, чтобы поддерживать правильную работу лазерного чипа при более высоких температурах, ток драйвера, подаваемый на чип лазерного драйвера, необходимо соответствующим образом регулировать.
Мониторинг температуры в режиме реального времени с помощью аналого-цифрового преобразователя в блоке мониторинга.
Регулировка схемы температурной компенсации для увеличения тока привода чипа лазерного драйвера, обеспечивая стабильную выходную оптическую мощность. Такой подход обеспечивает стабильность лазерного чипа даже при различных температурах, повышая общую эффективность и стабильность блока оптического излучения.
Приемник
Интерфейс модуля оптического приемопередатчика в основном состоит из светочувствительного датчика (контакта), компонентов драйвера и периферийных схем. Механизм работы светочувствительного датчика предполагает генерацию тока при минимизации входного шума. Сила текущего сигнала зависит от скорости отклика детектора и методов связи.
Отдел мониторинга
Встроенный MCU (микроконтроллер) в модуле оптического приемопередатчика отвечает за мониторинг и управление рабочим состоянием модуля. Используя протокол шины I2C, MCU может считывать и записывать в регистры оптоэлектронных чипов, регулируя и контролируя состояние каждого чипа. Кроме того, микроконтроллер включает в себя аналого-цифровой преобразователь для сбора и анализа информации о состоянии различных внутренних микросхем модуля.
Блок мониторинга и управления обеспечивает стабильную работу модуля оптического приемопередатчика. Постоянно отслеживая ключевые параметры, он обеспечивает оптимальную работу модуля, тем самым поддерживая стабильность и надежность всей системы связи.
Внутреннее устройство оптического модуля изображено на рисунке ниже.
Анализ результатов испытаний оптического модуля
Тестовая среда
Тестирование производительности модуля оптического приемопередатчика сосредоточено в основном на блоках передатчика и приемника. На стороне передатчика оптический сигнал напрямую подключается к прибору глазковой диаграммы через оптоволокно. На стороне приемника мы используем эталонный источник света (золотой стандарт), который генерирует оптические сигналы по восьми каналам. Эти сигналы, пройдя через регулируемый оптический аттенюатор, направляются на приемный конец модуля, который мы хотим протестировать. Мы регулируем настройки аттенюатора по мере необходимости, чтобы контролировать оптическую интенсивность, достигающую приемника целевого модуля. Как только обнаруживается коэффициент ошибок 2.4E-4, соответствующая оптическая интенсивность служит нашим показателем чувствительности.
Параметры и результаты тестирования передатчика
Тестирование передатчика включает в себя несколько аспектов: среднюю оптическую мощность, коэффициент затухания, линейность и закрытие глазка дисперсии передатчика (TDECQ).
Средняя оптическая мощность: этот параметр представляет среднюю оптическую мощность, излучаемую оптическим модулем. Обычно он измеряется в милливаттах (мВт), микроваттах (мкВт) или децибел-миливаттах (дБм). Средняя оптическая мощность отражает мощность сигнала и является критическим показателем производительности оптических модулей.
Коэффициент затухания: Коэффициент затухания относится к соотношению оптической мощности между передаваемыми сигналами «1» и «0». В идеале коэффициент затухания должен быть бесконечным, что указывает на значительную разницу в мощности между двумя сигналами и позволяет приемнику легко их различать. Плохой коэффициент затухания может привести к ошибкам демодуляции данных.
Закрытие глаза дисперсии передатчика (TDECQ): Этот параметр относится к эффекту дисперсии оптических сигналов во время передачи. Дисперсия приводит к распространению оптических импульсов на стороне приемника, снижая четкость и читаемость сигнала. TDECQ описывает способность и эффективность закрытия глаз в различных условиях дисперсии. Правильно работающий TDECQ обеспечивает высокое качество сигнала при передаче на большие расстояния. Эти параметры имеют решающее значение для оценки производительности и качества оптического модуля, обеспечивая надежную и эффективную передачу данных. Точное измерение и оценка этих параметров во время испытаний помогают удовлетворить проектные требования и потребности приложений.
Согласно спецификациям протокола IEEE802.3df_D3p1, когда одноканальная скорость модуля установлена на уровне 53.125 ГБд/с, оптические глазковые диаграммы на стороне передатчика должны соответствовать следующим критериям:
Четвертичная дисперсия передатчика при закрытии глаза (TDECQ) должна быть менее 3.4 дБ.
Коэффициент затухания должен быть больше 3.5 дБ.
Средняя оптическая мощность должна находиться в диапазоне от 2.9 до 3.4 дБм.
В ходе эксперимента мы протестировали одну оптическую глазковую диаграмму на стороне передатчика, используя четырехбитный код случайной последовательности короткой интенсивности в качестве стандартной конфигурации анализатора ошибок. Температура модуля поддерживалась на уровне 0°C, 25°C и 70°C для оценки работоспособности в различных условиях. Подробные данные для оптических глазковых диаграмм каждого канала при различных температурах представлены в таблицах 1, 2 и 3.
На основании этих параметров мы подтвердили, что параметры глазковой диаграммы передатчика оптического модуля соответствуют контрактным температурным требованиям. Результаты измерений показаны в таблицах 1, 2 и 3. Кроме того, все параметры этого оптического модуля в настоящее время со значительным запасом соответствуют требованиям отраслевого протокола, что указывает на превосходные характеристики продукта.
Результаты тестирования приемника
Согласно стандарту IEEE802.3df_D3p1, если модуль достигает одноканальной скорости 53.125 ГБд/с, принимаемый сигнал должен быть ниже -4.3 дБм, чтобы соответствовать требованиям чувствительности. Чувствительность приёмника тестового модуля мы оценивали с использованием хорошо зарекомендовавших себя оптических приёмопередатчиков и внешнего источника света с хорошими глазковыми диаграммами.
Настроив регулируемый оптический аттенюатор для управления мощностью выходного оптического сигнала, мы убедились, что восемь каналов оптического модуля OSFP 800xDR2 со скоростью 4 Гбит/с соответствуют требованиям протокола по чувствительности в трех температурных условиях, а параметры производительности имеют достаточный запас по сравнению с отраслевыми нормами.
SЕЗЮМЕ
Поскольку приложения искусственного интеллекта, такие как ChatGPT, продолжают расти, требования к передаче данных быстро растут. Оптические модули играют все более важную роль в высокоскоростных оптических сетях связи в центрах обработки данных. Эти модули являются ключевыми компонентами для достижения эффективной передачи данных, а их производительность и надежность имеют решающее значение для работы центра обработки данных.
Во-первых, поскольку центры обработки данных продолжают расширяться в размерах и трафик данных растет, спрос на оптические модули неуклонно растет. Показатели производительности оптических модулей, такие как скорость передачи, расстояние и надежность, существенно влияют на общую производительность центров обработки данных. Следовательно, с растущей потребностью в высокоскоростной передаче данных с высокой пропускной способностью в современных центрах обработки данных требования к производительности оптических модулей также становятся более строгими.
Во-вторых, по мере развития приложений ИИ требования к энергоэффективности оптических модулей также растут. Растущая вычислительная мощность ИИ приводит к более высокому потреблению энергии, побуждая производителей искать энергосберегающие решения. Оптические модули, являясь эффективным и низкоэнергетическим методом передачи данных, предлагают значительные преимущества в снижении энергопотребления центров обработки данных. Поэтому по мере того, как приложения ИИ становятся все более распространенными, ожидается, что внедрение оптических модулей в центрах обработки данных будет и дальше расширяться.
Таким образом, благодаря успеху приложений искусственного интеллекта, таких как ChatGPT, оптические модули имеют более широкие перспективы развития в высокоскоростных оптических сетях связи в центрах обработки данных. Поскольку требования к передаче данных продолжают расти, а технологии развиваются, область применения и требования к производительности оптических модулей будут продолжать развиваться.
Модуль оптического приемопередатчика 800 Гбит/с играет решающую роль в оборудовании высокоскоростной оптической связи для центров обработки данных, облачных вычислений и сетевой связи. Вот некоторые ключевые особенности модуля оптического приемопередатчика 800 Гбит/с:
Возможность высокоскоростной передачи данных: модуль оптического приемопередатчика 800 Гбит/с может обеспечить скорость передачи данных до 800 Гбит/с, что является значительным улучшением по сравнению с существующими модулями 400 Гбит/с и 100 Гбит/с. Это отвечает растущим требованиям к высокой пропускной способности и крупномасштабной передаче данных в современных центрах обработки данных.
Передовые методы модуляции: оптический модуль 800 Гбит/с использует технологию PAM4 (импульсно-амплитудная модуляция), которая передает четыре различных уровня напряжения в течение одного цикла сигнала, обеспечивая более высокую скорость передачи данных и эффективность.
Универсальные сценарии применения: Оптический модуль 800 Гбит/с подходит для различных сценариев применения, включая передачу на короткие расстояния (SR), средние расстояния (DR/FR/LR) и большие расстояния (ER/ZR), удовлетворяя требованиям потребности во взаимосвязи различных сетевых архитектур и центров обработки данных.
Проектирование с низким энергопотреблением. При проектировании оптического модуля 800 Гбит/с учитывается энергоэффективность с использованием маломощных оптоэлектронных устройств и схемных решений для снижения общего энергопотребления и повышения эффективности.
Высокая интеграция и компактный размер: модуль имеет конструкцию с высокой степенью интеграции, такую как технология Chip on Board (COB), которая объединяет несколько оптоэлектронных устройств в модуль небольшого размера для простоты развертывания.
Возможность надежной прямой коррекции ошибок (FEC): для обеспечения надежной передачи данных оптический модуль 800 Гбит/с обычно включает в себя мощные алгоритмы FEC, такие как KP4 FEC, повышающие чувствительность приемника и снижающие частоту ошибок по битам (BER).
Совместимость и стандартизация. Оптический модуль 800 Гбит/с соответствует отраслевым стандартам, таким как QSFP-DD и OSFP MSA, обеспечивая совместимость и взаимодействие с другими устройствами, одновременно улучшая здоровье отрасли.
Поддержка различных сигналов и функций тестирования. Модуль поддерживает несколько форматов сигналов, таких как PAM4 или NRZ, и включает в себя такие функции, как петлевая проверка, прорыв, тестирование PRBS и SNR для отладки и обслуживания сети.
В совокупности эти функции делают модуль оптического приемопередатчика 800 Гбит/с критически важной технологией для удовлетворения будущих потребностей в центрах обработки данных и высокоскоростных сетях.
В настоящее время глобальное влияние оптических технологий становится все более значительным, а исследования и разработки оптических устройств претерпевают быстрый прогресс и трансформацию. Область разработки оптических модулей также переживает быстрый рост.
Быстрое развитие технологии оптических модулей привело к увеличению скорости передачи данных с 200 Гбит/с до 400 Гбит/с и в настоящее время приближается к 800 Гбит/с. Такое быстрое развитие обеспечивает беспрецедентную эффективность и удобство центров обработки данных. Важность оптического модуля 800 Гбит/с в системах оптической связи центров обработки данных, являющегося базовым компонентом сетей оптической связи 800 Гбит/с, нельзя недооценивать. Подробные объяснения его фундаментальной конструкции и принципов работы, а также эмпирические испытания показывают, что он полностью соответствует техническим характеристикам для эффективной работы в среде оптической сети связи 800 Гбит/с.
Предлагаемый нами оптический модуль OSFP 2xDR4 типа 800 Гбит/с демонстрирует явные преимущества с точки зрения экономической выгоды и энергопотребления. Ожидается, что благодаря постоянным разработкам в процессах производства оптических компонентов и коммуникационных технологиях этот модуль в будущем будет иметь еще более широкий рыночный потенциал в крупномасштабных оптоволоконных сетях центров обработки данных.
