Обзор оптического приемопередатчика 400G ZR, DR4, FR4, LR4, SR8 QSFP-DD

Оптические трансиверы являются ключевыми устройствами для реализации взаимосвязи оптических сетей в центре обработки данных. По мере увеличения количества и плотности портов центры обработки данных должны учитывать стоимость оптических модулей, поскольку ожидается, что они будут составлять почти половину стоимости оптических сетей в IDC. В настоящее время построенные дата-центры крупных интернет-компаний собираемся перейти на 400G Ethernet. Оптические модули 400G QSFP-DD являются наиболее распространенными оптическими решениями для подключения к сети с высокой скоростью передачи данных 400G. Краткое описание оптики 400G QSFP-DD будет дано в этом посте.

Что такое QSFP-DD в модуле приемопередатчика 400G?

QSFP-DD, сокращение от Quad Small Form-factor Pluggable (QSFP) — Double Density (DD) — это высокоскоростной форм-фактор с возможностью «горячей» замены, определенный группой QSFP-DD MSA как ключевой элемент индустрии оптических коммуникаций для достижения сетей высокой плотности. Как лучший вариант для форм-фактора оптического приемопередатчика 400G, этот разъем QSFP-DD позволяет центрам обработки данных эффективно расти и расширять облачную емкость по мере необходимости. 

QSFP-DD имеет прямую и обратную совместимость с портом QSFP, а также совместим с существующими Оптические модули QSFP28 и AOC / DAC и т. д. Электрический интерфейс соединителя QSFP-DD состоит из 8 электрических линий, каждый из которых работает с сигналом NRZ 25 Гбит / с или сигналом PAM50 4 Гбит / с для общей полосы пропускания 200 или 400 Гбит / с. QSFP-DD может достигать агрегированной полосы пропускания до 14.4 Тбит / с в одном слоте коммутатора.

Какие типы приемопередатчиков 400G распространены на рынке?

● Приемопередатчик 400G DR4 QSFP-DD

400 г DR4 представляет собой оптический модуль приемопередатчика, предназначенный для межсоединения центров обработки данных 400G Ethernet в форм-факторе QSFP-DD (Quad Small Form Factor Pluggable-double Density). На стороне передатчика этот модуль DR4 преобразует 8 каналов электрического сигнала 50 Гбит/с (PAM4) в 4 канала параллельных оптических выходных данных, каждый из которых поддерживает скорость передачи данных 100 Гбит/с для совокупной полосы пропускания 400 Гбит/с. На стороне приемника оптический трансивер преобразует 4 полосы параллельных оптических данных со скоростью 100 Гбит/с каждая в совокупную скорость 400 Гбит/с для поддержки 8 полос электрического выходного сигнала PAM50 со скоростью 4 Гбит/с.

Модуль оптического приемопередатчика FiberMall 400G DR4 QSFP-DD 

Команда 400G КСФП-ДД ДР4 Оптоволоконный модуль обеспечивает передачу по SMF (одномодовое волокно) с Разъем МПО-12. Обычно приемопередатчик 400G форм-фактора QSFP-DD DR4 поддерживает максимальное расстояние передачи 500 метров на центральной длине волны 1310 нм. Продукт разработан с цифровыми диагностическими функциями в соответствии с 400G КСФП-ДД Соглашение с несколькими источниками (MSA).

400G QSFP-DD DR4 Введение и применение

● Оптический приемопередатчик 400G FR4 QSFP-DD

Модуль 400GBASE-FR4 представляет собой приемопередатчик с возможностью горячей замены 400 Гбит/с в форм-факторе QSFP-DD, который поддерживает 8 высокоскоростных электрических интерфейсов для подключения к хосту. То 400 г FR4 Трансивер включает в себя 4 независимых канала с центральными длинами волн CWDM4 1271/1291/1311/1331 нм со скоростью 100 Гбит/с на канал. В лазерах DSP И EML в качестве оптического привода с оптическим мультиплексором используются 4 неохлаждаемых CWDM EML 100 Гбит/с. Он разработан с дуплексный разъем LC оптический интерфейс поддерживает передачу на расстояние до 2 км для каналов Ethernet 400G по одномодовому оптоволокну (SMF). 400 г FR4 Модуль оптоволоконного приемопередатчика QSFP DD следует аналогичному протоколу Спецификация 100G Single Lambda MSA для 400 г FR4 и КСФП-ДД MSA Спецификация.

∆ Схема модуля приемопередатчика 400G FR4 QSFP-DD с дуплексным оптоволокном 

● Модуль приемопередатчика 400G LR4 QSFP-DD

Оптоволоконные модули 400GBase LR4 разработаны со встроенным чипом коробки передач, который мультиплексирует входные электрические данные двух каналов в одноканальный выходной сигнал, а затем модулирует его на стороне оптического приемника. В частности, редуктор на базе DSP преобразует 8 каналов сигналов PAM25 4 Гбод в 4 канала сигналов 50 Гбод (PAM4) в течение SMF (Одномодовое волокно) кабель с дуплексными разъемами LC. Этот 400 г LR4 Приемопередатчик оснащен функцией FEC и полным цифровым диагностическим мониторингом в реальном времени, обеспечивая дальность передачи до 10 км. It определяет 400Gb/s PHY для работы на четырех Центральные длины волн CWDM: 1271, 1291, 1311 и 1331 нм. Приемопередатчик 400G LR4 компании FiberMall имеет те же функции и качество, что и приемопередатчик Cisco 400G и приемопередатчик Arista 400G, и обладает лучшей совместимостью.

Оптический трансивер FiberMall 400G QSFP-DD LR4

● Оптический трансивер 400G SR8 

400G SR8 - это Подключаемый модуль Quad Small Form Factor - удвоенная плотность Волоконно-оптический трансивер, соответствующий спецификации IEEE 802.3bs. Этот модуль предлагает 8 параллелей Передатчик и приемник полосы, где переносится сигнал 400 Gigabit Ethernet. Каждый из этих 8 независимых каналов поддерживает скорость передачи данных 53.125 Гбит / с.(ПАМ4) dата rели агрегировать общую пропускную способность 400 Гбит/с на 100 метрах многомодового оптоволоконного кабеля OM3 с разъемом MTP/MPO-16. Центральная длина волны 8 независимых каналов составляет 850 нм. Аналогично оптическому модулю DR4, FR4, LR4 QSFP-DD 400G, 400 г SR8 соответствует спецификации QSFP-DD MSA и ИЭЭЭ 802.3бс протокол. 

В чем разница между 400G QSFP-DD FR4 и 400G QSFP-DD FR8?

Надежность

400G QSFP-DD FR4 имеет скорость 53.125 Гбит/с, а 400G QSFP-DD FR8 — 26.5625 Гбит/с. По мере увеличения скорости передачи стоимость MPI и стоимость CD для PAM4 постепенно увеличиваются, что сталкивает с проблемой долгосрочной надежной работы, что требует более надежного FEC и решения проблем функциональной совместимости. Оба оптических модуля используют KP4 FEC, 400G QSFP-DD FR4 с запасом> 80% на канал и 400G QSFP-DD FR8 с запасом> 90% на канал, 400G QSFP-DD FR8 будет более надежным по сравнению с другими.

Модуляция

И 400G QSFP-DD FR4, и 400G QSFP-DD FR8 представляют собой 8-канальную модуляцию PAM53 4 Гбит/с на электрической стороне, а разница заключается в оптической стороне. Сторона оптического порта FR8 использует 8-канальную модуляцию 53 Гбит/с PAM4; Сторона оптического интерфейса FR4 использует четыре канала модуляции PAM106 4 Гбит/с. Внутри микросхема Gearbox мультиплексирует два входа электрического интерфейса в один сигнал, а затем модулирует их для оптического интерфейса. Таким образом, скорость со стороны оптического интерфейса в два раза выше, чем со стороны электрического интерфейса, а именно, четыре канала сигналов PAM106 со скоростью 4 Гбит/с. Модуляция 50G PAM4 обновлена ​​до модуляции 100G PAM4, а допуск на дисперсию снижен.

Задержка DSP

400G QSFP-DD FR4 использует внутреннюю коробку передач 8:4, в результате чего задержка составляет около 102 нс, в то время как 400G QSFP-DD FR8 имеет задержку всего около 84 нс. Таким образом, 400G QSFP-DD FR8 имеет лучшие показатели задержки. 400G QSFP-DD FR8 больше подходит для сценариев, требующих высокопроизводительных вычислений.

потребляемая мощность

С одной стороны, 400G QSFP-DD FR8 предлагает улучшенные бюджеты связи. Но с другой стороны, использование большего количества лазеров заставляет модули потреблять больше энергии, общая стоимость лазера на модуль выше, а оптический пакет сложнее, что приводит к снижению выходной мощности и повышению себестоимости производства. Напротив, 400G QSFP-DD FR4 имеет более низкое энергопотребление и более простые возможности термообработки.

Проекты	FR4	FR8
Скорость передачи	53.125 ГБд	26.5625 ГБд
Задержка DSP	≈102 нс больше	≈84 нс меньше
Стоимость ИМБ	состояния потока	ярмарка
Стоимость компакт-диска	состояния потока	ярмарка
KP4 FEC Маржа	складская	очень надежный
потребляемая мощность	низкокачественными	высокая
Производительность Трансмиссия	ярмарка	хорошо

Подводя итог, можно сказать, что 8-канальный оптический 400G QSFP-DD FR8 обеспечивает лучшую производительность передачи данных во всех аспектах по сравнению с 400G QSFP-DD FR4, но немного уступает по энергопотреблению и стоимости. 400G QSFP-DD FR4 подходит для коммерческих центров обработки данных, тогда как 400G QSFP-DD FR8 больше подходит для высокопроизводительных вычислений.

Согласно исследованию Lightcounting, исследовательской организации в области оптической связи.попробуйте, на мировом рынке оптических приемопередатчиков, FiberMall проанализирует и обобщит спрос и поставки на мировом рынке оптических приемопередатчиков в 2021 году.

Недавний исследовательский отчет LightCounting показывает, что продажи оптических приемопередатчиков Ethernet достигнут 4.6 млрд долларов США в 2021 году, что на 25% больше, чем в прошлом году. LightCounting ожидает, что среднегодовой темп роста рынка (среднегодовой темп роста) замедлится до 14% в 2022–2027 годах, но даже при таких скромных темпах роста к 10 году этот сегмент все равно достигнет 2027 миллиардов долларов.

Что способствует росту?

Фактически, поставщики оптических приемопередатчиков оправились от воздействия COVID-19 в начале 2020 года всего за несколько месяцев, а спрос на продукты от 1GbE до 400GbE превысил их ожидания на весь год. «По мере того, как поток растет, растут даже продажи оптических приемопередатчиков 1GbE, не говоря уже о продуктах 10G и 40G». Спрос на традиционные низкопроцентные товары начал снижаться в конце 2020 г., но неожиданно вырос в первой половине 2021 г. Скорее всего, новая и, возможно, последняя волна спроса на традиционные низкотарифные продукты связана с модернизацией корпоративных и телекоммуникационных сетей, которая была отложена в основном из-за COVID-19.

Еще одним важным фактором роста рынка является очень высокий спрос на оптические модули 200GbE и 400G. Google начал развертывание оптических модулей 400G 3 года назад, в то время как Amazon — в 2020 году, а Meta (ранее Facebook) отложила развертывание 200G до 2021 года, что оказало огромное влияние на рынок. Кроме того, первая продажа 2x400G оптических модулей Google также способствовала росту рынка в 2021 году. Ожидается, что этот импульс сохранится и в 2022 году, но LightCounting прогнозирует более медленный рост в 2023-2027 годах.

LightCounting отмечает, что его модель прогноза основана на предположениях о росте пропускной способности оптических соединений Ethernet в многочисленных приложениях. Кроме того, LightCounting также смоделировал потребление оптических модулей для каждой из десяти ведущих компаний, занимающихся облачными вычислениями. Например, по оценкам LightCounting, Amazon почти удвоит пропускную способность сети своего центра обработки данных за счет масштабного обновления до 400G в 2020 и 2021 годах. В более долгосрочной перспективе ожидается, что рост пропускной способности снизится до 40% в год или удваивается каждые два лет или около того.

В то же время LightCounting также повысила свои ожидания в отношении продуктов 800G и 1.6T. LightCounting отмечает, что консервативные прогнозы подходят для рынков, склонных к волатильности, поскольку они помогают объяснить неожиданное замедление спроса и экономические спады. Необычно, что пандемия идет на пользу индустрии оптических модулей в целом. Рынок Ethernet достиг CAGR 18% с 2011 по 2021 год без значительного спада. Имея это в виду, среднегодовой темп роста в 14% на 2022–2027 годы является очень разумным предположением.

Поставки модулей 400G ZR/ZR+ выросли в четвертом квартале 2021 года, поскольку Cisco (Acacia) и Marvell быстро расширили свои производственные мощности, согласно отчету исследовательской фирмы Cignal AI о транспортных приложениях за четвертый квартал 4 года. Однако спрос со стороны поставщиков облачных услуг по-прежнему превышает предложение, которое в этом году увеличится по мере роста производства таких поставщиков, как Ciena, NeoPhotonics и II-VI. Cignal AI ожидает, что поставки модулей 2021G ZR/ZR+ вырастут на 400% в 200 году, поскольку облачные операторы, такие как Microsoft, Amazon и Google, а также традиционные сетевые операторы, такие как AT&T, Windstream и COLT, развертывают крупномасштабные развертывания. .

Скотт Викинсон, главный оптический аналитик Cignal AI, сказал: «Поставщики облачных услуг и операторы связи вносят фундаментальные изменения в свои сетевые архитектуры из-за коммерческой доступности подключаемых когерентных модулей 400G. Отгрузки 400Г ЗР Module быстро растут, и на данный момент более половины отгрузок приходится на четвертый квартал».

Другие основные моменты из Отчета о транспортных приложениях за четвертый квартал 4 года:

• Поскольку подключаемые когерентные модули меняют ландшафт поставщиков, количество когерентных портов, закупаемых напрямую операторами, быстро растет.
• Поставки подключаемых модулей Gen60C 400G ZR по-прежнему ограничены, и на сегодняшний день только два поставщика удовлетворяют почти весь спрос.
• Ciena остается крупнейшим поставщиком современных когерентных портов Gen90P 800G, хотя поставки продуктов Infinera и ICE6 быстро растут.
• В 25 году выручка компактных модульных систем в Северной Америке выросла на 2021%, и Cienais стала лидером рынка в этой категории.
• Только HW добилась роста продаж Packet-OTN в 2021 году. Продолжающиеся инвестиции Nokia в свой портфель продуктов OTN сделали ее ведущим поставщиком OTN в Европе и США, где компания имеет наилучшие возможности для завоевания бизнеса HW.

Согласно последнему отчету Cignal AI об оптических компонентах, капитальные затраты поставщиков облачных услуг на гипермасштабные центры обработки данных стимулируют рост доходов от оптических компонентов для передачи данных на 27%, и этот рост достиг 4.7 млрд долларов в 2021 году, что опережает рост доходов от компонентов для телекоммуникаций, потребления и промышленной оптики. Приложения.

Поставки модулей с такой скоростью удвоились до рекордного уровня в 2021 году, поскольку спрос крупных облачных провайдеров и некоторых корпоративных клиентов перешел со 100G на 400GbE. «Переход к 400GbE идет полным ходом, а подключаемая когерентная технология 400Gbps революционизирует проектирование оптических сетей, соединяющих центры обработки данных», — сказал Скотт Уилкинсон, главный аналитик по оптике в Cignal AI. «Скорость 400 Гбит/с будет стимулировать рост расходов и пропускной способности в центрах обработки данных и за их пределами в 2022 году».

Сценарии применения оптического трансивера 400G

С ростом зрелости отраслевых стандартов и требований к сети оптические модули 400G привели к развитию индустрии оптической связи, особенно в следующих трех сценариях применения, которым уделяется все больше и больше внимания: центры обработки данных, городские сети и междугородние высокоскоростные сети. сети передачи мощности.

Datacenter

Решение сетевого оптического модуля для центров обработки данных емкостью 400 ГБ (предыстория: быстрый рост трафика с востока на запад)

К 2021 году около 70 процентов трафика центра обработки данных с востока на запад останется внутри центра обработки данных, при этом ожидается, что темпы роста будут значительно выше, чем трафик с севера на юг и трафик между центрами обработки данных, что значительно увеличит спрос на высокоскоростные оптические модули.

Североамериканские клиенты OTT планируют начать развертывание решений 400G в 2020 году. Начиная с первой половины 2019 года, китайские клиенты OTT также инициировали первое тестирование 400G в Китае с участием нескольких поставщиков оптических модулей 400G.

Столичная несущая сеть

Оптический модуль 400G для MAN (предыстория: новые услуги стимулируют рост трафика в эпоху 5G)

С быстрым развитием 5G новые услуги, включая видео сверхвысокой четкости, Интернет вещей, виртуальную/дополненную реальность и Интернет транспортных средств, выдвинули новые требования к транспортным сетям: сверхвысокая пропускная способность, массивные соединения, сверхнизкая латентность и высокая надежность.

Существующие порты 100GE в городских сетях не могут поддерживать уровни агрегации и ядра, требующие сверхширокополосной связи, поэтому возникла потребность в решениях для оптического соединения 400GE.

Возьмем в качестве примера сеть 5G. Согласно оценке пропускной способности Консорциума сетей мобильной связи следующего поколения (NGMN), пропускная способность уровня доступа вырастет до 50GE, а пропускная способность базового уровня вырастет до 200GE/400GE во время крупномасштабной коммерциализации городских сетей 5G.

Сети передачи высокой пропускной способности на большие расстояния

Решения оптических модулей 400G для сетей DWDM (предыстория: рост трафика увеличивает нагрузку на полосу пропускания для передачи на большие расстояния)

Рост сетевого трафика приводит к увеличению пропускной способности портов в сети передачи. Для передачи на большие расстояния и с высокой пропускной способностью наилучшим решением является технология когерентной передачи на основе мультиплексора с разделением по длине волны (WDM).

По мере развития когерентных решений 400G спрос на когерентные порты 400G будет быстро расти после 2020 года.

Два фактора стимулируют рост когерентных портов 400G: рост пропускной способности сети и увеличение количества клиентских портов 400GE.

Согласно прогнозному отчету LightCounting, когерентные порты 400G будут использоваться во все большем количестве сетей, и в ближайшие пять лет их число будет расти быстрее всего.

Оптический модуль 400G QSFP-DD DR4 использует стандартный разъем MPO-12 для передачи до 500 м по одномодовому волокну. Он также может быть подключен к оптическим модулям 100G DR. Он использует тип передатчика EML 1310 нм и режим амплитудно-импульсной модуляции PAM4.

Преимущества оптического трансивера 400G QSFP-DD DR4 Silicon Photonics

Существует два типа оптических модулей 400G QSFP-DD DR4: традиционные оптические модули с электрооптическими чипами и кремниевые фотонные оптические модули со встроенными электрооптическими чипами, появившиеся в последние годы.

Оптический модуль кремниевой фотоники 400G DR4 обычно использует 7-нм чип DSP, а энергопотребление составляет менее 10 Вт, что соответствует экологическим требованиям центра обработки данных. По сравнению с традиционными оптическими модулями с 4-канальным решением 100G EML, оптическим модулям кремниевой фотоники 400G DR4 требуется только один или два источника света, что может эффективно уменьшить количество лазеров.

Между тем, оптический модуль кремниевой фотоники 400G QSFP-DD DR4 использует процесс упаковки COB, обеспечивающий пассивную связь между оптическим волокном и кремниевым оптическим чипом, а оптимизированная конструкция исключает компоненты контроля температуры TEC, что упрощает достижение массового производства и делает его более очевидным. ценовые преимущества.

Соответствующие данные показывают, что оптический модуль кремниевой фотоники 400G QSFP-DD DR4 может сэкономить 10–30% стоимости по сравнению с традиционным оптическим приемопередатчиком. LightCounting, известный исследовательский институт на рынке оптической связи, заявил, что рынок высокоскоростных оптических модулей цифровой связи, как ожидается, достигнет 6.5 миллиардов долларов в 2024 году, а оптические модули кремниевой фотоники будут коммерциализированы в больших масштабах, а их доля рынка составит 60%.

Для высокоскоростных оптических устройств кремниевый фотонный оптический чип является лучшим способом реализовать единую интеграцию фотонных и электронных чипов, которая может реализовать обмен данными сверхбольшой емкости при условии эффективного контроля стоимости и энергопотребления.

С постепенным развитием технологии кремниевых оптических чипов доля рынка кремниевых оптических модулей 400G DR4 будет продолжать расти и демонстрировать незаменимые характеристики.

Другие важные моменты отчета об оптических компонентах за 4 квартал 21 года:

• В 2021 году поставки модуля передачи данных QSFP-DD составили 8 миллионов, большинство из которых были в формате DR4;
• В 2021 году было отгружено более 60,000 400 сменных когерентных модулей XNUMX Гбит/с, большинство из которых КСФП-ДД ЗР;
• В 2021 году поставки когерентных модулей CFP200 со скоростью 2 Гбит/с увеличились на 17% и составили немногим более 200,000 XNUMX единиц, поскольку китайский OEM-производитель FiberMall увеличил пропускную способность на этой скорости для более дальних городских и дальних приложений.

Как известно, Cisco наконец-то приобрела Acacia за 4.5 миллиарда долларов. 

Темпы роста обычных оптических модулей замедляются, а когерентных оптических модулей удваиваются. То, что Acacia делает лучше всего, это именно связная часть.

Данные Dell'Oro показывают, что 400G ZR достигнет 250,000 2026 единиц в 800 году, а 400G ZR будет производиться быстрее, чем XNUMXG ZR в самом начале, что будет способствовать быстрому росту темпов.

Постепенно миниатюризируемый согласованный модуль может удовлетворить краткие и открытые требования DCI. Будь то ZR или ZR+, 400G или 800G, возможности рынка DCI перевешивают проблемы.

Заключение

Трансиверы 400G в Quad Small Form-factor Pluggable-Double Density (QSFP-DD), основанные на методе модуляции PAM4, стали популярными для соединения оптических сетей 400G в центрах обработки данных. 400 г ЗР, ДР4, ФР4, ЛР4 и СР8 QSFP-DD оптический пример технологии PAM4 в приложении 400G Ethernet. FiberMall является профессиональным интегрированным поставщиком оптических коммуникаций, в настоящее время поставляющим продукты, включая оптоволоконные приемопередатчики, кабели DAC и AOC, оптоволоконные кабели, сплиттеры WDM и PLC, а также другие сетевые серии. Оптические приемопередатчики 400G DR4/FR4/LR4/SR8/ZR доступны в FiberMall, и вы всегда можете связаться с нами или посетить наш веб-сайт.