Mikä on optisen lähetin-vastaanottimen tarkoitus?

 

Monet ihmiset eivät ehkä tunne termiä "optinen lähetin-vastaanotin". Mutta joka kerta kun selaat TikTokia, soitat videopuheluita tai tallennat tiedostoja pilvitallennustilaan, tämä pieni laite toimii äänettömästi kulissien takana.

 

 

Ensinnäkin ymmärretään, mikä optinen lähetin-vastaanotin on

 

Optinen lähetin-vastaanotin, jota teollisuudessa yleisesti kutsutaan "optiseksi moduuliksi", on pohjimmiltaan signaalimuunnin.

 

Kotireitittimesi, yrityksen kytkin ja datakeskuksen palvelimet toimivat sähkösignaaleilla. Sähkösignaaleilla on kuitenkin suuri ongelma,{1}}ne eivät kulje kovin kauas. Kuparikaapeleilla 10G-signaali voi kulkea vain 30-50 metriä ennen kuin se hajoaa, ja se on erittäin herkkä häiriöille; jopa lähellä oleva moottori voi aiheuttaa ongelmia.

Optiset signaalit ovat erilaisia. Teoreettisesti optiset signaalit yksimuotokuidussa{1}} voivat kulkea satoja kilometrejä järjettömän suurella kaistanleveydellä. Yksi hiuksen ohut kuitu voi siirtää kymmeniä teratavuja dataa samanaikaisesti.

Mutta tässä on ongelma: laitteet eivät pysty käsittelemään optisia signaaleja.

 

 

Siksi tarvitsemme optisia moduuleja "kääntäjiksi":

Lähetettäessä:muuntaa sähköiset signaalit optisiksi signaaleiksi ja lähettää ne kuituun.

Kun vastaanotat:kuidun optisten signaalien muuntaminen takaisin sähköisiksi signaaleiksi, jotta laitteet voivat käsitellä{0}}se on niin yksinkertaista.

 

Palvelinkeskukset – optisten moduulien suurimmat kuluttajat

 

Aloitan muutamilla konkreettisilla luvuilla. Viime vuonna minulla oli mahdollisuus vierailla johtavan pilvipalveluntarjoajan datakeskuksessa Zhangbeissa. Käyttö- ja huoltohenkilöstö kertoi minulle, että heidän yhdellä kampuksellaan oli yli 500 000 optista moduulia, ja niitä vaihdettiin useita satoja joka kuukausi eri syistä; varaosia kasattiin kuin pieniä vuoria varastoon.

Ja tämä oli vain yksi kampus. Useiden suurten kotimaisten valmistajien yhteenlaskettu kokonaismäärä ylittää helposti kymmenen miljoonan käytössä olevan optisen moduulin.

 

Miksi käyttää niin paljon?

Palvelimen käyttö
Nykyään yleisissä datakeskuksissa jokainen palvelin on varustettu vähintään kahdella 25G tai 100G verkkoportilla, jotka kaikki vaativat optisia moduuleja. 40 palvelimen teline vaatisi 80 optista moduulia vain tälle palvelinkerrokselle.

 

Jotkut ihmiset kysyvät: "Miksi ei vain käytä kuparikaapeleita lyhyillä etäisyyksillä?"

On todellakin olemassa sellainen ratkaisu, nimeltään DAC (Direct Connect Copper Cable), joka on todellakin halpa ja tehokas 3 metrin säteellä. Se ei kuitenkaan toimi yli 3 metrin syvyydessä voimakkaan signaalin vaimennuksen vuoksi. Datakeskuksen kaapelointi on harvoin siistiä ja siistiä; se sisältää usein käänteitä, ja 5 tai 10 metriä on melko yleistä. Tällaisissa tapauksissa optiset moduulit ovat välttämättömiä.

 

Spine{0}}Leaf Interconnect Architecture

Useimmat kunnolliset palvelinkeskukset käyttävät nyt Spine{0}}Leaf-arkkitehtuuria. Leaf-kytkimet hallitsevat palvelimen käyttöä, kun taas Spine-kytkimet ohjaavat itä--länsi-liikennettä.

Leafin ja Spinen välinen etäisyys vaihtelee kymmenistä pariin sataan metriin ja on yleensä 100 Gt tai enemmän, ja suuret valmistajat ovat jo siirtymässä 400 G:aan.

LightCountingin vuoden 2024 alun tietojen mukaan 100G-optiset moduulit ovat edelleen suurin luokka palvelinkeskusten toimituksissa, mutta 400G:n kasvu on hämmästyttävää, ja se kasvaa lähes 80 % vuodessa-verrattuna-vuoteen.

Uskon, että vuoteen 2025 mennessä 400G:stä tulee standardi hiljattain rakennetuissa datakeskuksissa.

 

 

Data Center Interconnect (DCI)

 

Suurilla yrityksillä on yleensä useita palvelinkeskuksia kaupungissa, ja ne edellyttävät nopeaa{0}}yhteyttä tietojen synkronointia ja katastrofien palauttamista varten.

DCI-etäisyydet saman kaupungin sisällä ovat yleensä 10-80 kilometriä. Aikaisemmin tähän skenaarioon käytettiin 100G LR4:ää ja ER4:ää, mutta nyt 400G ZR otetaan käyttöön yhä enemmän. ZR on koherentti optinen moduuli, joka pystyy toimimaan 80 kilometrin etäisyyksillä tai jopa kauemmin, yhden aallonpituuden 400G, joka on erittäin tehokas.

 

Viime vuonna asiakas halusi muodostaa 400 Gt:n suoran yhteyden kahden 60 kilometrin päässä olevan datakeskuksen välille. Aluksi oli tarkoitus käyttää perinteisiä DWDM-laitteita, jotka olisivat maksaneet useita miljoonia yuaneja. Myöhemmin he siirtyivät suoraan 400G ZR -optisten moduulien käyttöön, mikä pienensi kustannuksia yli puoleen ja yksinkertaisti ylläpitoa huomattavasti. Tämä on osoitus teknologisen kehityksen eduista.

 

Tekoälyklusterit – viime aikojen kuumin trendi

 

Suuret{0}}malleista on tullut suosittuja kahden viime vuoden aikana, ja koulutusklustereiden verkon kaistanleveysvaatimukset ovat järjettömät.

NVIDIA:n DGX H100 -palvelin, jossa on 8 GPU:ta konetta kohti ja jokaisessa GPU:ssa on 400G Ethernet-portti, vaatii kahdeksan 400G:n optista moduulia konetta kohti. Kymmenien tuhansien GPU:iden klusterin perustaminen johtaisi tähtitieteellisiin kustannuksiin optisille moduuleille.

Huhutaan, että suuri valmistaja maksoi satoja miljoonia etukäteen toimittajilleen varmistaakseen 800 Gt:n optisten moduulien tuotantokapasiteetin.

Henkilökohtaisesti koen, että tekoälyn kysyntä on tullut liian nopeasti, ja optisten moduulien toimitusketju on ollut jatkuvasti tiukka. Suorin todiste on, että useiden johtavien optisten moduulien valmistajien osakekurssit ovat nousseet pilviin tänä vuonna.

Teleoperaattoriverkot ovat perinteiset optisten moduulien markkinat. Vaikka ne eivät ole yhtä "seksikisiä" kuin datakeskukset, niiden mittakaava on vakaa.

 

5G-liikenneverkko

 

5G-tukiasemat on jaettu kolmeen tasoon: AAU, DU ja CU. Niiden välisiä yhteyksiä kutsutaan fronthauliksi, midhauliksi ja backhauliksi.

Fronthaul (AAU to DU) käyttää yleisimmin 25G optisia moduuleja, joiden etäisyydet eivät yleensä ylitä 20 kilometriä. Tällä segmentillä on erittäin korkeat vaatimukset latenssille ja synkronoinnille eCPRI-protokollaa käyttäen, ja myös optisilla moduuleilla on joitain erityisvaatimuksia. Viime vuonna 5G fronthaul -projektissa maakunnan matkapuhelinoperaattorin kanssa he olivat erittäin tiukkoja optisten moduulien latenssitestauksen suhteen; useita eriä palautettiin liiallisen latenssin vuoksi. Laadunvalvonta on ratkaisevan tärkeää tietoliikenneprojekteissa.

Midhaul ja backhaul käyttävät optisia moduuleja suuremmilla nopeuksilla, mukaan lukien 50G ja 100G, ja paljon pitemmillä etäisyyksillä, mahdollisesti kymmenillä kilometreillä.

5G:n käyttöönoton huippu on todellakin ohi, mutta 6G on esi-tutkimusvaiheessa, joten mahdollisuuksia on vielä myöhemminkin.

 

Metropolitan Area Networks (MAN) ja runkoverkot

 

Metropolitan alueverkot (MAN) ovat ensisijaisesti operaattorien kaupungeissa operoimia verkkoja, jotka yhdistävät eri pääsyliikennettä ja lähettävät sen runkoverkkoon.

Runkoverkko on pitkän matkan{0}}siirtoverkko, joka kattaa kaupungit ja maakunnat ja kuljettaa lähes kaiken Internet-liikenteen. Runkoverkkojen on käytettävä DWDM-järjestelmiä, jotka yhdistävät kymmeniä tai jopa satoja aallonpituuksia yhdeksi optiseksi kuiduksi, kunkin aallonpituuden ollessa 100 G tai 400 G.

Tällä alueella käytetyt optiset moduulit ovat teknisesti edistyneimpiä, ensisijaisesti koherentteja optisia moduuleja, ja ne ovat kalliita; yksi moduuli voi helposti maksaa kymmeniä tuhansia juaneja. Suoraan sanottuna runkoverkkoliiketoiminnalla on korkeat voittomarginaalit, mutta volyymi on pieni ja asiakaskunta on rajoitettu muutamaan operaattoriin, mikä tekee suhteista ratkaisevan tärkeitä.

 

Yrityksen verkon optisten moduulien vaatimukset

 

Kampusverkosto

Hieman suuremmat yritykset joutuvat ehdottomasti viemään valokaapeleita toimistorakennusten välillä. Äärimmäisin esimerkki, jonka olen nähnyt, on autotehdaskampuksen verkosto. Tehdasalue on niin suuri, että osa rakennuksista on kolmen-neljän kilometrin päässä toisistaan ​​ja vaatii 10G LR- tai jopa ER-optisia moduuleja.

Yritysasiakkaat ovat yleensä hinta{0}}herkkiä. Alkuperäisten laitevalmistajien (OEM) optiset moduulit ovat liian kalliita, joten useimmat valitsevat kolmannen osapuolen{2}}yhteensopivia moduuleja. Niin kauan kuin löydät luotettavan toimittajan, yhteensopivat moduulit toimivat yleensä ongelmitta. Poikkeuksia kuitenkin löytyy. Jotkut suuret valtion omistamat-yritykset ja rahoituslaitokset vaativat OEM-moduulien käyttöä hankintaprosesseissaan, vaikka ne olisivat kaksi tai kolme kertaa kalliimpia. Vaatimusten noudattaminen on olemassa; sitä ei voi kiertää.

 

Tallennusverkot

Yritysten datakeskuksissa optisia moduuleja tarvitaan myös palvelimien ja tallennuslaitteiden yhdistämiseen.

Tallennusverkkoja varten on kaksi pääjärjestelmää: Fibre Channel (FC) ja Ethernet. FC on vanhempi protokolla, mutta sitä käytetään edelleen laajalti rahoituksen ja terveydenhuollon kaltaisilla aloilla sen vakauden ja luotettavuuden vuoksi.

FC-optisilla moduuleilla on omat tekniset tiedot: 8G, 16G ja 32G FC, eikä niitä voi käyttää vaihtokelpoisesti Ethernet-optisten moduulien kanssa. Viime vuosina NVMe-oF-protokolla on saavuttanut suosiota, sillä se käyttää Ethernetiä tallennusliikenteen kuljettamiseen, ja FC:n markkinaosuus on vähitellen heikkenemässä. Tämä prosessi on kuitenkin hyvin hidas, koska nykyiset markkinat ovat liian suuret.

 

Optisten moduulien muut sovellukset

 

Teollisuuden skenaariot

Tehdasympäristöt ovat ankaria, sähkömagneettisia häiriöitä ja rajuja lämpötilanvaihteluita, joita tavalliset optiset moduulit eivät kestä. Teollisuusluokan -optiset moduulit vaativat käyttölämpötila-alueen -40 asteesta +85 asteeseen sekä tärinän- ja iskunkeston. Kustannukset ovat huomattavasti korkeammat kuin tavalliset optiset moduulit, mutta teollisuusasiakkaat eivät ole huolissaan lisäkustannuksista; he asettavat vakauden etusijalle.

Eräs terästehdasprojektissa työskentelevä ystävä kertoi minulle, että tavalliset kytkimet eivät yksinkertaisesti sovellu masuunien lähellä oleviin verkkolaitteisiin. Heidän on käytettävä -teollisia laitteita teollisuusluokan-optisilla moduuleilla, muuten verkko ylikuumenee ja kaatuu.

 

Yleisradio ja televisio

TV-asemat käyttävät myös optisia moduuleja videosignaalien lähettämiseen sisäisesti, mutta protokolla on hieman erilainen; se on SDI over Fiber.

4K- ja 8K-ultra-high-definition--signaaleilla on erittäin suuret kaistanleveydet, ja pakkaus aiheuttaa latenssia, jota ei voida hyväksyä suorissa lähetyksissä. Siksi lähetysteollisuus käyttää pakkaamatonta lähetystä, mikä asettaa erittäin korkeat vaatimukset optisten moduulien kaistanleveydelle.

 

Sotilaalliset ja erikoissovellukset

Armeijan optiset moduulit ovat täysin erilainen maailma, vaativat erilaisia ​​karkaisuja ja sertifiointeja, ja hinta on myös aivan eri sarjassa-järkittömän kallis. Tarkkoja yksityiskohtia ei ole kätevä paljastaa, mutta lyhyesti sanottuna tekniset esteet ovat erittäin korkeat, eikä tällä alalla ole paljon pelaajia.

 

Kuinka valita optinen moduuli?

 

Kun olet keskustellut niin monista käyttötavoista, miten valitset optisen moduulin todellisessa työssä?

 

Ensinnäkin, ymmärrä etäisyys

Jätä hieman marginaalia valitessasi optisia moduuleja. Esimerkiksi jos mitattu etäisyys on 800 metriä, valitse

DR (500 metrin määritys) ei todellakaan riitä; sinun on käytettävä FR.

 

Toiseksi, vahvista kuitutyyppi

Monimuotooptisia moduuleja voidaan käyttää vain monimuotokuidun kanssa, ja yksimuotoisia optisia moduuleja voidaan käyttää vain yksi-muotokuidun kanssa. Jos valitset väärän tyypin, moduuli ei syty.

Monimuotokuidulla on useita laatuja: OM1, OM2, OM3, OM4 ja OM5. Mitä korkeampi luokka, sitä pidempi tukietäisyys. Tällä hetkellä OM3 ja OM4 ovat valtavirtaa. Yksimuotokuitu- on periaatteessa G.652, joten sinun ei tarvitse huolehtia mallista.

 

Kolmanneksi, tarkista laitteen yhteensopivuus

Vaikka optisilla moduuleilla on MSA-standardi, eri laitevalmistajat käyttävät silti erilaisia ​​menetelmiä, joten kaikki eivät välttämättä ole yhteensopivia. Cisco- ja Huawei-laitteissa on enemmän rajoituksia kolmannen osapuolen-optisille moduuleille, ja jotkin vaativat komentorivisyöttöä-tunnistukseen. Arista ja Mellanox ovat suhteellisen avoimempia. Varmuuden vuoksi kysy toimittajalta, onko se testannut sitä kohdelaitteella. Suurilla yhteensopivien optisten moduulien valmistajilla on yleensä yhteensopivuusluettelot.

 

Neljänneksi, kiinnitä huomiota virrankulutukseen

Nopeat{0}}optiset moduulit kuluttavat yhä enemmän virtaa. 400G DR4-moduuli kuluttaa 8-10W, kun taas 400G ZR-moduuli voi saavuttaa 15-20W.

Jos kaikki optiset moduulit on asennettu kytkimeen, kokonaisvirrankulutus voi olla useita satoja watteja, mikä on haaste lämmön haihdutukselle. Muista ottaa tämä huomioon suunnittelussasi välttääksesi konesalin jäähdytysjärjestelmän ylikuormituksen.

 

800G-moduuleilla on tällä hetkellä suuri kysyntä, ja joidenkin mallien toimitusajat ovat kolmesta neljään kuukautta. Jos projektilla on tiukka aikataulu, on tärkeää varmistaa tarvikkeet etukäteen.

 

Optisten moduulien vianmääritys

 

Linkki alas

Aloita yksinkertaisimmasta: Onko optinen moduuli kytketty kunnolla? Onko valokuitukaapeli kytketty oikein? Älä naura, jotkut ihmiset eivät itse asiassa kuule "naksahdusta", kun kytket kuitukaapelin, ja ajattelevat, että se on kytketty oikein, vaikka se ei ole. Tarkista sitten kuidun napaisuus. Kaksoiskuituyhteyksissä lähetin (Tx) tulee liittää vastaanottimeen (Rx); Jos kytket ne päinvastoin, se estää syttymisen. Jos se ei vieläkään toimi, mittaa lähetys- ja vastaanottoteho optisella tehomittarilla nähdäksesi, onko jokin optisista moduuleista viallinen.

 

Virheet tai pakettien katoaminen:

 

Seuraa linkkiä nähdäksesi, mikä kuidun segmentti on viallinen. Jos et edelleenkään löydä ongelmaa, kokeile vaihtaa optinen moduuli, kuitu tai portti-poistoprosessia käyttämällä.

 

Puhutaanpa tekniikan trendeistä

 

 

800G ja 1,6T:

 

Silicon Photonics Technology

Piifotoniikkaa on kiistetty useiden vuosien ajan.

Suoraan sanottuna olen henkilökohtaisesti sitä mieltä, että sitä on yli{0}}markkinoitu. Teoriassa piifotoniikka voi vähentää kustannuksia ja lisätä integraatiota, mutta varsinaisessa massatuotannossa tuottoongelmia ei ole täysin ratkaistu. Lisäksi silikoni{3}}pohjaisia ​​materiaaleja ei voida käyttää lasereiden valmistukseen. ne täytyy vielä sekoittaa ja integroida III-V-ryhmän materiaaleihin.

Tämä on tietysti vain minun mielipiteeni; monet alan toimijat ovat eri mieltä. Intel ja Cisco edistävät voimakkaasti piifotoniikkaa, ja niillä on oltava syynsä.

 

CPO (yhteispaketti{0}}optiikka)

Tämä konsepti on radikaalimpi: se pakkaa suoraan optisen moottorin ja kytkentäsirun yhteen. Etuna on merkittävä virrankulutuksen väheneminen ja kaistanleveyden tiheyden lisääntyminen. Haittana on, että optista moduulia ei voi vaihtaa yksitellen; jos jokin epäonnistuu, koko kortti on ehkä vaihdettava.

Suuret yritykset, kuten Google ja Meta, edistävät voimakkaasti CPO:ta, ja varsinaisia ​​käyttöönottoja odotetaan vuonna 2025 tai 2026. On kuitenkin vielä epävarmaa, tuleeko siitä valtavirtaa. Huoltokollegat pelkäävät CPO:ta: kuinka se vaihdetaan, jos se epäonnistuu? Pitäisikö koko järjestelmä poistaa käytöstä?

 

Viimeinkin

 

Ydinidea on yksinkertainen: optiset lähetin-vastaanottimet ovat nykyaikaisten viestintäverkkojen kulmakivi, ja niillä on erittäin laajat sovellukset.

Kotisi laajakaista ONU:sta teleoperaattoreiden runkoverkkoon; yritysten toimistoverkoista hyperscale-palvelinkeskuksiin; 5G-tukiasemilta tekoälyklustereihin{1}}optisia moduuleja on kaikkialla.

Tämä toimiala ei ole hohdokas, eivätkä tekniset esteet ole yhtä pelottavia kuin siruteollisuuden, mutta sen vahvuus on sen tasaisessa, jatkuvassa kasvussa. Tekoälyaalto on antanut alalle merkittävän sysäyksen. Jos olet verkkosuunnittelija, datakeskusten operaatioinsinööri tai yksinkertaisesti kiinnostunut viestintäteollisuudesta, optisten moduulien oppimiseen kannattaa ehdottomasti käyttää aikaa. Mitä kauemmin työskentelet tällä alalla, sitä enemmän arvostat tätä.