400G optinen moduuli: tärkeimmät ominaisuudet ja edut

 

PAM4 Reality

 

Tässä on jotain, jonka sisäistäminen kesti: PAM4 ei ole vain "parempi NRZ". Se on pohjimmiltaan erilainen signaalin eheyshaaste.

NRZ antoi meille kaksi amplituditasoa. Korkea tai matala. Yksi tai nolla. Puhdas, yksinkertainen ja se toimi kauniisti jopa 25 G kaistaa kohti. Mutta kun teollisuus yritti nostaa NRZ:n 50G:hen, fysiikka lopetti yhteistyön. Silmäkaaviot romahtivat. Tasoitus ei pysynyt perässä. Niiden komponenttien valmistuskustannuksista, jotka pystyivät ylläpitämään signaalin eheyttä näillä nopeuksilla, tuli kohtuuttomia volyymin käyttöönoton kannalta.

PAM4 ratkaisi nopeusongelman koodaamalla kaksi bittiä symbolia kohti neljällä amplituditasolla. Sama baudinopeus, kaksi kertaa enemmän dataa. Tyylikäs, todella. Paitsi nyt, että vastaanottimesi on erotettava neljä jännitetasoa kahden sijaan, ja näiden tasojen välinen etäisyys on noin kolmannes siitä, mitä se oli NRZ:n kanssa. Laskentatulos on noin 10 dB huonompi signaali-/-kohinasuhde. Se ei ole pyöristysvirhe,-se on toimivan linkin ja ei toimimattoman linkin välinen ero.

Tästä syystä jokainen 400G lähetin-vastaanotin toimitetaan eteenpäin virheenkorjauksella. Ei valinnainen. Ei "suositellaan pidemmälle ulottuville". Pakollinen. Reed-Solomon RS(544,514) FEC-, jota standardit kutsuvat KP4:ksi, lisää pariteettisymbolit, joiden avulla vastaanotin voi korjata virheet ilman uudelleenlähetystä. Ilman sitä PAM4-linkit olisivat käyttökelvottomia.

 

Muototekijäpolitiikka

 

Olen käynyt läpi enemmän QSFP{0}}DD vs OSFP -keskusteluja kuin muistan.

QSFP{0}}DD-leiri väittää taaksepäin yhteensopivuuden. Ja he ovat oikeassa-voit asettaa QSFP28-moduulin QSFP-DD-häkkiin ja se toimii. Nykyinen 100G-optiikkasijoituksesi ei ole jumissa. Muotokerroin on kooltaan 18,35 mm x 89,4 mm, ja se on tarpeeksi kompakti 36 porttiin 1U:n etupaneeliin. Se on 14,4 terabittiä telineyksikköä kohti, jos täytät jokaisen paikan. Tällä on merkitystä operaattoreille, jotka tekevät porraspäivityksiä.

OSFP partisaanitiski lämpökorkeudella. Suurempi muotokerroin-22,58 mm x 107,8 mm-antaa enemmän pinta-alaa lämmönpoistolle ja mahdollistaa integroidut jäähdytyselementit, joita QSFP-DD ei voi vastata. Tehokuoret venyvät 15-20 W:iin verrattuna QSFP-DD:n 12-15 W kattoon. Kun käytät koherenttia optiikkaa tai suunnittelet 800 G:tä, tämä lämpömarginaali tulee merkitykselliseksi.

NVIDIA valitsi OSFP:n Quantum-2 InfiniBandille. Arista tarjoaa molemmat. Cisco ja Juniper kevyt QSFP-DD yritysten vaihtamiseen. Markkinat eivät ole valinneet voittajaa, eikä se todennäköisesti tule valitsemaan tässä vaiheessa. Molemmat muototekijät toimivat rinnakkain ja palvelevat eri segmenttejä eri prioriteeteilla.

Mikä oikeastaan ​​määrää valintasi? Yleensä vaihtoalusta, johon olet jo sitoutunut.

 

 

Mitä DR4 ja FR4 oikeastaan ​​tarkoittavat

 

Nimistö noudattaa kaavaa, mutta siinä on poikkeuksia, jotka järkyttävät ihmisiä jatkuvasti.

DR4tarkoittaa 500-metrin kattavuutta yksimuotokuitu{10}}vertailulla. Neljä rinnakkaista optista kaistaa, joista jokainen käyttää 100G PAM4:ää 1310nm aallonpituudella. MPO-12-liitin. DR4:n kauneus on irrotuskyky – yksi moduuli voidaan jakaa neljään itsenäiseen 100G-DR-linkkiin käyttämällä fanout-kaapelia. Hyödyllinen, kun kytket 400G:n selkäkytkimiä 100G-lehtiportteihin, joita et ole valmis päivittämään.

FR4laajentaa ulottuvuuden 2 kilometriin aallonpituudella{1}}multipleksoimalla neljä 100 G:n signaalia yhdelle kuituparille. CWDM4-välit aallonpituudella 1271, 1291, 1311 ja 1331 nm. Duplex LC -liitin MPO:n sijaan. Siistimpi kaapelointi, pidempi ulottuvuus, korkeammat kustannukset.

SR8käsittelee monimuotokuitulkenaarioita-kahdeksan rinnakkaista 50G kaistaa yli OM4:n, enintään 100- metriä. MPO-16-liitin. Soveltuu lähinnä lyhyille ToR-palvelimen välisille yhteyksille, joissa monimuotoinfrastruktuuri on jo olemassa.

Hintaerot ovat huomattavia. DR4-moduulin volyymi voi olla 400–500 dollaria. FR4 nostaa 500-600 dollaria. LR4 10 km:n ulottuvuuteen? Kaksinkertainen tai enemmän. LR4:n määrittäminen käyttöön, jossa pisin juoksumatkasi on 300 metriä, polttaa rahaa ilman käyttöhyötyä.

 

DSP-vero

 

Jokainen 400G optinen moduuli sisältää digitaalisen signaaliprosessorin. Jokainen yksittäinen. DSP käsittelee syötteen-eteenpäin suuntautuvan taajuuskorjauksen, päätöspalautteen tasauksen, kellon ja tietojen palautuksen sekä FEC-koodauksen/dekoodauksen. Lisää koherenteissa moduuleissa kromaattisen dispersion kompensointi ja polarisaatiotilan dispersion hallinta.

DSP myös polttaa virtaa. Paljon sitä.

Tyypillisissä 400G lähetin-vastaanottimissa DSP kuluttaa yli puolet moduulin kokonaisvirrankulutuksesta. 10 W:n moduuli saattaa nähdä 5-6 wattia suoraan signaalinkäsittelyyn. Marvell, Broadcom ja entinen Inphi (nyt osa Marvellia) ovat kilpailleet prosessisolmujen kutistamiseksi – 7 nm:stä 5 nm:iin siirtymät ovat tuottaneet noin 20 % virransäästöä. Mutta ei voida kiertää sitä perustodellisuutta, että PAM4 vaatii huomattavia laskennallisia lisäkustannuksia toimiakseen.

Jotkut alan toimijat käyttävät lineaarista kytkettävää optiikkaa{0}}siirtäen DSP:n itse kytkimen ASIC:iin ja käyttävät yksinkertaisempaa,{1}}teholtaan alhaisempaa optiikkaa. Väite on teoreettinen. Vasta-argumentti sisältää moduulien yhteentoimivuuden ja käytännöllisen painajaisen hyväksyä optiikka eri kytkinalustoilla ilman standardoitua DSP-liitäntää. Tämä keskustelu jatkuu vuosia.

 

 

Piifotoniikka muuttaa taloutta

 

Intel ja Cisco panostavat piifotoniikkaan varhain, ja tämä veto kannattaa.

Perinteinen erillinen optiikka vaatii manuaalista kokoonpanoa: lasersirut toisesta, modulaattorit toisesta, valoilmaisimet kolmannesta, kaikki liitetty yhteen tarkasti tanssimaan, joka ei skaalaudu tyylikkäästi. Piifotoniikka integroi suurimman osan optisesta moottorista yhteen piisuuttimeen käyttämällä tavallisia CMOS-valmistusprosesseja.

400 G-DR4 piin fotoniikkamoduulit, jotka toimitetaan tänään useilta toimittajilta, tarjoavat vakuuttavaa taloudellisuutta hyperskaalauksen käyttöön. Virrankulutus laskee-jotkin piifotoniikka DR4-moduulit saavuttavat alle 8 watin 7nm DSP:illä. Valmistus skaalautuu ennakoitavammin. Sadonparannukset johtavat suoraan kustannusten alenemiseen.

saalis? Pii tekee kauhean laserin. Epäsuoraa bandgap-fysiikkaa ei ole kumottu. Joten jopa "piifotoniikka"-moduulit käyttävät tyypillisesti ulkoista InP- tai GaAs-vahvistussirua, hybridi-integroituna piialustaan. Se on älykästä suunnittelua, mutta terminologia ylittää hieman sen, mitä todella tapahtuu.

Alibaba otti käyttöön piifotoniikan 400G DR4:n vuodesta 2020 alkaen. Intel väittää olevansa 60 %:n markkinaosuus datacomin piifotoniisista lähetin-vastaanottimista. Trendilinjat suosivat tämän teknologian jatkuvan osuuden kasvattamista.

 

Lämpötiheys on nyt kaikkien ongelma

 

Täysin asuttu 400 G:n kytkin tuottaa lämpöä, jota ei olisi voinut kuvitella vielä vuosikymmen sitten.

Suorita numerot: 32 porttia 400G-DR4-moduuleja 10-12W kukin. Se on 320-384 W pelkästään lähetin-vastaanottimista, ennen kuin huomioidaan kytkimen ASIC, muisti, tuulettimet ja virranmuunnos. Palvelinkeskusten rivien lämpötiheys on noin kaksinkertaistunut viidessä vuodessa. Tilainsinöörit eivät ole tästä tyytyväisiä.

OSFP:n suurempi muotokerroin auttaa{0}}enemmän pinta-alaa, parempia ilmavirtauskanavia ja integroituja jäähdytyselementtejä. QSFP-DD-moduulit riippuvat enemmän isäntälaitteiden lämpöarkkitehtuurista. Kumpikaan lähestymistapa ei ole väärä, mutta lämpönäkökohtien pitäisi ehdottomasti vaikuttaa muototekijää koskevaan päätökseesi, jos rakennat jatkuvaa korkeaa kaistanleveyttä{4}}työkuormitusta.

Ilmajäähdytys lähestyy käytännön rajoja näillä tiheyksillä. Nestejäähdytys-kylmälevyt kytkimien ASIC-järjestelmissä, mahdollisesti koko telineiden upotus-on muuttunut eksoottisesta pelkkää kalliiksi. Tarvittava infrastruktuuri- ja ylläpitoosaaminen on edelleen jäljessä.

 

Breakout-joustavuus

 

Yksi ominaisuus, joka ansaitsee enemmän huomiota: 400G-moduulit voivat toimia katkeamiskokoonpanoissa, jotka ovat useita alhaisemman nopeuden{1}}liittymiä.

400 G-DR4:stä voi muodostua neljä 100 G-DR-linkkiä. MPO{10}}12–4xLC-duplex-breakout-valjaat puhaltavat yhden DR4-portin neljään itsenäiseen SMF-pariin. Verkkoarkkitehdit rakastavat tätä joustavuutta eri nopeuksilla ja vaiheittaisilla päivityksillä.

Strukturoidun kaapeloinnin vaikutukset ovat kuitenkin todellisia. Jos et suunnittele katkeamisskenaarioita ensimmäisestä päivästä lähtien, käytät ad hoc -korjauskaapeleita kuuden kuukauden kuluessa käyttöönotosta. Kuitutehdassuunnittelussasi on otettava huomioon nämä käyttötapaukset ennakoivasti.

 

Liittimen hygienia on tärkeämpää kuin luuletkaan

 

Joitakin asioita opittiin tuskallisen kokemuksen kautta:

DR4- ja SR8-moduulien MPO-liitännät käyttävät APC-kiillotusta (kulmallinen fyysinen kosketus). FR4:n ja LR4:n LC-liittimet ovat tyypillisesti UPC-liitäntöjä (ultraphysical contact). APC- ja UPC-liittimien sekoittaminen-joka on hämmästyttävän helppo tehdä vahingossa- aiheuttaa yli 20 dB:n palautushäviön ja ajoittaisia ​​virheitä, jotka saavat vianetsintätiimit hulluiksi. Värikoodaus on olemassa syystä: vihreä APC:lle, sininen UPC:lle.

Moduulin EEPROM-yhteensopivuus on sotkuisampaa kuin toimittajat myöntävät. "Yhteensopivat" kolmannen osapuolen lähetin-vastaanottimet, jotka toimivat täydellisesti yhdessä kytkinmallissa, voivat aiheuttaa virheitä toisessa kytkimessä, jossa on sama ASIC, mutta eri laiteohjelmisto. Sisään pätevöitymisaika hankintaprosessiisi.

Lämpötilalla on enemmän merkitystä kuin tekniset tiedot antavat ymmärtää. Nämä moduulit on yleensä mitoitettu kestämään kotelon lämpötiloja jopa 70 astetta, mutta suorituskyky heikkenee ennen kuin saavutat kattoon. Niiden pitäminen viileänä tuottaa johdonmukaisemman käyttäytymisen.

 

Mihin 800G sopii

800G ja lopulta 1.6T hallitsevat AI/ML-ympäristöjä erilaisilla vaatimuksilla ja erilaisilla budjettikeskusteluilla. Useimpien verkkojen ei tarvitse jahtaa tätä käyrää heti.

 

Bottom Line

 

400G:n optiset moduulit ovat siirtyneet syrjäytyneestä reunasta valtavirran infrastruktuuriin. Tekniset päätökset-QSFP-DD vs. OSFP, rinnakkais vs. WDM, piifotoniikka vs. diskreetti-eivät enää sisällä samaa riskiä kuin kolme tai neljä vuotta sitten.

Yhdistä muototekijä vaihtoalustastrategiaasi. Valitse lähetin-vastaanottimen tyyppi todellisten kattavuusvaatimusten perusteella, ei pahimman{1}}tapauksen paranoian perusteella. Älä yli-määritä. Rakenna lämpömarginaali. Suunnittele kuitukasvisi purkautumisskenaarioita varten. Ja pidä MPO-liittimet puhtaina.

Seuraavat vuodet tuovat mukanaan asteittain parannuksia-pienempitehoiset DSP:t, paremmat piifotoniikan tuotot ja ehkä jonkin verran liikettä lineaarisissa liitettävissä olevissa arkkitehtuureissa. Mutta perusteknologia-alusta on vakauttanut. 400G on nyt vain infrastruktuuri. Sellaisia, joita voit suunnitella kohtuullisella luottamuksella.

Vuosien 100 Gt:n kaaoksen ja 400G:n epävarmuuden jälkeen tällä ennustettavuudella on jotain merkitystä.