Прорывы QSFP-DD800, 800G и 1.6T Ethernet

По мере того, как мы вступаем в мир, управляемый данными, важность Ethernet становится все более заметной. По сути, Ethernet — это технология, которая соединяет компьютеры в локальную сеть, посредством которой устройства могут взаимодействовать с другими устройствами. Однако со временем Ethernet превратился в глобальную систему передачи данных со скоростями от первоначальных 10 Мбит/с до нынешних 800G и даже 1.6T. Этот огромный прогресс не лишен проблем, но каждый прорыв представляет собой огромный технологический скачок.

Что такое модуль оптического приемопередатчика QSFP-DD800?

QSFP-DD800 означает Quad Small Form-factor Pluggable Double Density, высокоскоростную модель корпуса с возможностью горячей замены, определенную QSFP-DD MSA. Он полностью совместим с существующим оптоволоконным сетевым оборудованием, что облегчает модернизацию и расширение центров обработки данных.

О расстоянии передачи

Что касается дальности передачи, КСФП-DD800 Оптические модули поддерживают различные варианты расстояния, которые обычно можно разделить на VR (50 м), SR (100 м), DR/FR/LR (500 м/2 км/10 км) и т. д.

О типах оптических интерфейсов

Типы оптических интерфейсов оптических модулей QSFP-DD800 в основном подразделяются на MPO, LC и VSFF (CS/SN/MDC).

800G Ethernet

800G Ethernet — это высокоскоростная технология Ethernet для сетей передачи данных и связи, обеспечивающая скорость передачи данных 800 гигабит в секунду (800 Гбит/с).

800G Ethernet в два раза быстрее предыдущего поколения 400G Ethernet, предлагая большую пропускную способность для обработки крупномасштабных передач данных, видео высокой четкости, облачных вычислений, Интернета вещей и других требований к высокой пропускной способности. 800G Ethernet использует методы модуляции высокого порядка, как правило, с использованием PAM4 (амплитудно-импульсной модуляции 4) для передачи данных, позволяя каждому символу переносить несколько бит информации, тем самым увеличивая скорость передачи данных. 800G Ethernet имеет важные приложения в сетях центров обработки данных, где он может улучшить скорость соединения между серверами в центре обработки данных, облегчая крупномасштабную обработку данных и облачные вычисления. Достижение 800G Ethernet обычно требует передового сетевого оборудования и оптических модулей, которые могут поддерживать высокоскоростную передачу данных и обычно используют конструкцию с низким энергопотреблением для повышения энергоэффективности. Стандартизацией 800G Ethernet руководит IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике), что помогает обеспечить совместимость между устройствами разных производителей.

Текущее состояние 800G Ethernet

Текущая реализация 800G Ethernet использует 8 каналов, каждый со скоростью передачи 100 Гбит/с. Это удваивает скорость PAM4 (четырехуровневая модуляция) по сравнению с предыдущим поколением с 50 Гбит/с до 100 Гбит/с. Следующее поколение разрабатываемых трансиверов 800G увеличит скорость каждого канала до 200 Гбит/с, что создает серьезные проблемы, поскольку требует одновременного увеличения скорости модуляции высокого порядка и скорости передачи данных PAM4.

Задача первая: сменить кремниевый SerDes

Более быстрые микросхемы сетевых коммутаторов необходимы для увеличения скорости канала 800G Ethernet. Чипы сетевых коммутаторов используются для реализации переключения между элементами в центре обработки данных с малой задержкой, что имеет решающее значение для поддержки высокопроизводительных вычислений и крупномасштабной передачи данных. Для поддержки увеличения общей пропускной способности чипа коммутатора также увеличиваются скорость, количество и мощность SerDes. В настоящее время скорости SerDes увеличились с 10 Гбит/с до 112 Гбит/с, а количество каналов SerDes вокруг чипа увеличилось с 64 до 512 для генерации 51.2 Тбит/с. Однако энергопотребление SerDes стало важной частью общего энергопотребления системы. Следующее поколение микросхем коммутаторов снова удвоит пропускную способность, поскольку коммутаторы 102.4T будут иметь 512 каналов SerDes 200 Гбит/с. Эти кремниевые коммутаторы будут поддерживать 800G и 1.6T на каналах 224 Гбит/с.

Решение:

o Быстрее СерДес: Исследуйте и разрабатывайте более быстрые технологии для удовлетворения растущего спроса на передачу данных. Сюда входит увеличение скорости, снижение энергопотребления и улучшение целостности сигнала SerDes.

o Оптимизация питания: Примите подход к проектированию, оптимизированный по энергопотреблению, чтобы снизить энергопотребление SerDes. Это включает в себя использование передовых КМОП-технологий и разработку схем с низким энергопотреблением.

Задача вторая: амплитудно-импульсная модуляция

Модуляция высокого порядка увеличивает количество бит на символ или единичный интервал (UI), обеспечивая компромисс между полосой пропускания канала и амплитудой сигнала. Стандарты часто исследуют схемы модуляции более высокого порядка для увеличения скорости передачи данных. Модуляция PAM4 обратно совместима с предыдущими поколениями продуктов и по сравнению со схемами модуляции более высокого порядка обеспечивает лучшее отношение сигнал/шум (SNR), тем самым снижая накладные расходы на прямое исправление ошибок (FEC), вызывающие задержку. Однако из-за ограничений аналоговой полосы пропускания и расширенного выравнивания, достигаемого с помощью инновационных схем DSP, PAM4 требует лучшего аналогового входного интерфейса (AFE).

Решение:

o Улучшенный аналоговый интерфейс (AFE). Исследование и разработка более производительных аналоговых интерфейсов для поддержки схем модуляции более высокого порядка. Это может включать более точное восстановление тактовой частоты, меньший джиттер и лучшие возможности обработки сигналов.

o Передовые методы эквализации: Используйте инновационные методы цифровой обработки сигналов (DSP) и эквализации для устранения искажений и шума в канале. Это помогает повысить надежность сигналов PAM4.

o Изучите решения с более высокой модуляцией: Хотя PAM4 широко используется в нынешнем Ethernet 800G, будущие стандарты могут использовать схемы модуляции более высокого порядка, такие как PAM6 или PAM8. Это увеличит скорость передачи каждого символа, но также повысит сложность.

Как снизить частоту битовых ошибок в сети 800G Ethernet?

При высокоскоростной передаче данных на сигнал при прохождении через канал влияют различные факторы помех и затухания. К ним относятся затухание сигнала, шум, перекрестные помехи и другие факторы искажения сигнала. Эти факторы вызывают битовые ошибки в сигнале, которые называются битовыми ошибками. Наличие битовых ошибок во время передачи данных может привести к серьезному повреждению данных, снижая доступность и целостность данных. В предыдущих стандартах высокоскоростной передачи данных, таких как 100G Ethernet, обычных эквалайзеров с точной настройкой и методов обработки сигналов было достаточно для снижения частоты ошибок по битам. Однако в высокоскоростном Ethernet 800G необходимы более сложные методы, чтобы справиться с проблемой более высокой частоты ошибок по битам.

Алгоритм прямого исправления ошибок (FEC)

Прямая коррекция ошибок (FEC) — широко используемый метод снижения частоты ошибок по битам. Он предполагает добавление избыточной информации к передаче данных, чтобы помочь получателю обнаружить и исправить ошибки при передаче. Алгоритмы FEC добавляют избыточные биты в кадры данных, позволяя получателю восстанавливать потерянные или поврежденные биты данных. Это помогает повысить надежность передачи данных, особенно в высокоскоростных сетях.

Важность FEC

FEC становится особенно важным в высокоскоростных сетях, таких как 800G Ethernet. Из-за более высоких скоростей передачи данных частота битовых ошибок при передаче обычно выше. Поэтому необходимы более мощные алгоритмы FEC, чтобы минимизировать частоту ошибок по битам и обеспечить надежность высокоскоростных сетей.

Компромиссы и преимущества FEC

Каждая архитектура FEC включает в себя компромиссы и преимущества с точки зрения выигрыша кодирования, накладных расходов, задержки и энергоэффективности. Вот некоторые распространенные архитектуры FEC и их характеристики:

Кодирование Рида-Соломона

Кодирование Рида-Соломона — это широко используемый метод FEC при хранении и передаче данных. Он имеет хорошую производительность исправления ошибок и может восстанавливать кадры данных из случайных ошибок. Однако для этого требуется относительно большая избыточность, которая может привести к большим накладным расходам в высокоскоростных сетях.

Кодирование LDPC (проверка четности низкой плотности)

Кодирование LDPC — это эффективный метод FEC, широко используемый в высокоскоростных сетях. Он имеет низкие накладные расходы на кодирование и хорошо снижает частоту ошибок по битам. Кодирование LDPC также имеет низкую задержку и энергопотребление.

кодирование BCH

Кодирование BCH — это подходящий метод FEC для высокоскоростной связи, который обеспечивает баланс между производительностью исправления ошибок и накладными расходами на кодирование. Он обычно используется в оптоволоконной связи и высокоскоростном хранении данных.

Сложные алгоритмы FEC

В системах со скоростью 224 Гбит/с необходимы более сложные алгоритмы FEC, чтобы справиться с проблемой более высокой частоты ошибок по битам. Эти алгоритмы могут включать использование более избыточных данных и более сложных механизмов исправления ошибок для обеспечения надежности передачи данных.

Как повысить энергоэффективность 800G Ethernet?

Потребляемая мощность каждого поколения оптических модулей увеличивается, особенно в высокоскоростных сетях, таких как 800G и Ethernet 1.6 Тбит/с. Хотя конструкция оптических модулей стала более эффективной, что позволило снизить энергопотребление на бит, из-за крупных центров обработки данных, которые обычно имеют десятки тысяч оптических модулей, общее энергопотребление модулей по-прежнему остается серьезной проблемой.

Проблема энергоэффективности

Повышение энергоэффективности 800G Ethernet является важной задачей, особенно в крупных центрах обработки данных. Потребление энергии в центрах обработки данных оказывает важное влияние на стоимость, окружающую среду и устойчивость. Поэтому снижение энергопотребления устройств 800G Ethernet имеет решающее значение.

Комбинированная оптика

Одним из способов решения проблемы энергопотребления оптических модулей является использование совместно упакованной оптики. Эта технология снижает энергопотребление каждого модуля за счет интеграции функции оптоэлектронного преобразования в корпус оптического модуля. Совместно упакованная оптика может обеспечить различные преимущества, такие как более высокая энергоэффективность и меньшие размеры упаковки.

Преимущества технологии коупаковки

Повышение энергоэффективности

Объединенная оптика может повысить энергоэффективность за счет интеграции функции оптоэлектронного преобразования в оптический модуль. Такая интеграция снижает потери энергии в процессе преобразования и передачи оптического сигнала. Таким образом, энергопотребление на бит снижается, обеспечивая при этом более высокую энергоэффективность.

Уменьшение размера упаковки

Технология совместной упаковки также может уменьшить размер упаковки оптических модулей. Это особенно важно для крупных дата-центров, поскольку им необходимо разместить больше устройств в ограниченном пространстве. Меньшие размеры пакетов могут улучшить масштабируемость и гибкость компоновки центров обработки данных.

Улучшение терморегулирования

За счет более низкого энергопотребления сборная оптика выделяет меньше тепла. Это помогает улучшить управление температурным режимом в центрах обработки данных, снижая потребность в охлаждении и снижая эксплуатационные расходы.

Охлаждающий вызов

Однако сборная оптика также создает новые проблемы, одна из которых — охлаждение. Тепло, выделяемое встроенными оптоэлектронными преобразователями внутри корпуса, должно эффективно рассеиваться во избежание перегрева и снижения производительности. Поэтому разработка эффективных решений по охлаждению имеет важное значение для успеха технологии совместной упаковки.

Ethernet 1.6 Тбит/с

1.6T Ethernet — это высокоскоростная технология Ethernet для сетей передачи данных и связи, обеспечивающая скорость передачи данных 1.6 терабит в секунду (1.6 Тбит/с). Она представляет собой новейшую разработку в области сетей и является обновлением 800G Ethernet. 1.6T Ethernet в два раза быстрее 800G Ethernet, предлагая большую пропускную способность. Она подходит для обработки крупномасштабных передач данных, видео высокой четкости, облачных вычислений, высокопроизводительных вычислений и других требований к чрезвычайно высокой пропускной способности. 1.6T Ethernet использует методы модуляции более высокого порядка, обычно использующие PAM4 (импульсная амплитудная модуляция 4) или методы модуляции более высокого порядка для передачи данных, чтобы достичь более высоких скоростей передачи данных.

1.6T Ethernet имеет важное применение в сетях центров обработки данных и магистральной сети. Он может удовлетворить потребности в высокоскоростном соединении между серверами в крупных центрах обработки данных, а также поддерживать высокоскоростную магистраль сети для соединения различных центров обработки данных и сетевых узлов.

Хронология 800G Ethernet и сети 1.6T

Разработка 800G Ethernet основана на предыдущем поколении 400G Ethernet. За последние несколько лет организации по стандартизации, такие как IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике) и OIF (Форум по оптическим межсетевым технологиям), установили стандарты для сетей 400G, заложив основу для развития 800G. Сеть 1.6T представляет собой дальнейшее развитие сети 800G Ethernet и представляет собой более высокоскоростную сетевую технологию. Хотя разработка сети 1.6T все еще находится на ранней стадии, она привлекла широкое внимание.

2022: Выпущен первый чип переключателя 51.2T.

В 2022 году сетевая индустрия достигла важной вехи — выпуска первого чипа коммутатора 51.2T. Эти микросхемы коммутаторов поддерживают 64 порта 800 Гбит/с, что знаменует собой переход 800G Ethernet на стадию практического аппаратного обеспечения. В то же время в этот период также начались работы по проверке первой партии оптических модулей 800G.

2023: Стандартный выпуск и проверка разработки.

В 2023 году организации по стандартизации добились значительного прогресса. Во-первых, IEEE выпустил первую версию стандарта IEEE 802.3df, который определяет спецификации физического уровня для 800G Ethernet. Тем временем OIF также выпустил стандарт 224 Гбит/с, который дает рекомендации по созданию систем 800G и 1.6T с каналами 112 Гбит/с и 224 Гбит/с.

Следующие два года: окончательное определение стандартов физического уровня.

Ожидается, что в ближайшие два года организации по стандартизации продолжат усердно работать над завершением разработки стандартов физического уровня для 800G Ethernet. Это потребует дальнейшего уточнения и тестирования спецификаций для обеспечения совместимости и производительности сетевых устройств. Хотя график создания сети 1.6T пока не ясен, он рассматривается как часть будущего развития сети. С непрерывным развитием цифровой эпохи спрос на более высокую скорость и большую пропускную способность будет продолжать расти, и ожидается, что сеть 1.6T удовлетворит эти потребности.

Несколько сценариев применения Ethernet 800G и 1.6T

Дата центр

Хранение данных сверхвысокой плотности

Центрам обработки данных требуется большая емкость хранилища и быстрая передача данных, чтобы удовлетворить растущий спрос на данные. Ethernet 800G и 1.6T можно использовать для подключения серверов хранения и достижения сверхвысокой плотности хранения данных. Например, крупная компания, занимающаяся социальными сетями, может использовать эти технологии высокоскоростного Ethernet для поддержки огромного количества фотографий и видео, загружаемых пользователями.

Виртуализация и контейнеризация

Технологии виртуализации и контейнеризации требуют быстрой передачи данных для совместного использования ресурсов между виртуальными машинами или контейнерами. Ethernet 800G и 1.6T можно использовать для обеспечения высокоскоростной миграции виртуальных машин и связи с контейнерами. Например, поставщик облачных услуг может использовать эти технологии для поддержки рабочих нагрузок виртуализации клиентов.

Облачные вычисления

Эластичные вычислительные ресурсы

Облачные вычисления обеспечивают возможность гибкого использования вычислительных ресурсов, но для этого требуются высокоскоростные сетевые соединения. Ethernet 800G и 1.6T можно использовать для обеспечения быстрой передачи данных между пользователями облачных вычислений. Например, научно-исследовательское учреждение может использовать эти высокоскоростные сетевые соединения для выполнения сложных задач моделирования и анализа данных в облаке.

Облачное хранилище и резервное копирование

Облачные службы хранения и резервного копирования требуют большой емкости и высокоскоростной передачи для обеспечения безопасности и доступности данных. Эти технологии высокоскоростного Ethernet можно использовать для подключения облачных устройств хранения данных и серверов резервного копирования данных. Например, предприятие может использовать их для резервного копирования важных бизнес-данных.

Большие Данные

Передача и анализ данных

Анализ больших данных требует больших возможностей передачи и обработки данных. Ethernet 800G и 1.6T можно использовать для передачи крупномасштабных наборов данных из источников данных на платформы анализа и ускорения процесса обработки данных. Например, организация здравоохранения может использовать эти высокоскоростные сети для анализа многих медицинских записей пациентов с целью улучшения диагностики и лечения.

Поток данных в реальном времени

Обработка потока данных в реальном времени требует, чтобы данные передавались в сети с чрезвычайно низкой задержкой. Эти технологии высокоскоростного Ethernet можно использовать для поддержки приложений потока данных в реальном времени, таких как мониторинг финансовых транзакций и мониторинг умного города. Например, финансовое учреждение может использовать их для мониторинга и анализа большого объема данных о транзакциях с целью выявления потенциальных мошеннических действий.

Высокопроизводительные вычисления

Научное исследование

Высокопроизводительные вычисления используются для решения сложных задач в области науки и техники. 800G и 1.6T Ethernet можно использовать для соединения суперкомпьютеров и центров обработки данных, чтобы поддержать ученых в моделировании и расчетах. Например, аэрокосмическая компания может использовать эти высокоскоростные сети для моделирования производительности и безопасности самолетов.

Обучение искусственному интеллекту

Обучение искусственному интеллекту требует большого количества возможностей передачи данных и вычислений. Эти технологии высокоскоростного Ethernet можно использовать для подключения кластеров графических процессоров и хранилищ данных для поддержки обучения моделей глубокого обучения.

Здравоохранение.

Удаленное здравоохранение и мониторинг

В будущем удаленное здравоохранение и мониторинг станут основной тенденцией. Технологии Ethernet 800G и 1.6T будут поддерживать высококачественные удаленные медицинские услуги, включая удаленную хирургию и мониторинг пациентов.

Геномика и разработка лекарств

Сектор здравоохранения нуждается в огромных возможностях обработки данных для геномных исследований и разработки лекарств. Высокоскоростной Ethernet будет использоваться для передачи больших объемов данных о генах и лекарствах, ускоряя медицинские исследования.

Автономное вождение

Карты высокого разрешения и данные датчиков

Автономным транспортным средствам необходимы карты высокого разрешения и данные датчиков для достижения точного позиционирования и восприятия окружающей среды. Технологии Ethernet 800G и 1.6T будут использоваться для передачи этих крупномасштабных данных, повышая безопасность и надежность автономного вождения.

Автомобильная связь

Связь между транспортными средствами, а также между транспортными средствами и инфраструктурой будет иметь решающее значение для автономного вождения. Высокоскоростной Ethernet будет поддерживать связь между транспортными средствами в режиме реального времени, помогая избегать столкновений и повышать эффективность дорожного движения.

Заключение

Появление Ethernet 800G и 1.6T является важной технологической инновацией. Они позволят нам обрабатывать большие объемы данных и соответствовать более высоким требованиям к производительности. 400G развертывается в больших масштабах, но до достижения скорости передачи данных 800G еще предстоит пройти долгий путь, а оптимальный путь для 1.6T все еще не определен. Всего через несколько лет, несомненно, возникнет необходимость в большей производительности, более высокой скорости и значительном повышении эффективности. Чтобы подготовиться к распространению этих новых технологий, необходимо начать проектирование и планирование с сегодняшнего дня.