Modul optic 400G: caracteristici și beneficii cheie

 

Realitatea PAM4

 

Iată ceva care mi-a luat ceva timp să îl interiorizez: PAM4 nu este doar „un NRZ mai bun”. Este o provocare fundamental diferită a integrității semnalului.

NRZ ne-a oferit două niveluri de amplitudine. Înalt sau scăzut. Unu sau zero. Curat, simplu și a funcționat frumos până la 25 G pe bandă. Dar când industria a încercat să împingă NRZ la 50G, fizica a încetat să coopereze. Diagramele ochilor s-au prăbușit. Egalizarea nu a putut ține pasul. Costurile de producție pentru componentele care ar putea menține integritatea semnalului la acele viteze au devenit prohibitive pentru implementarea volumului.

PAM4 a rezolvat problema vitezei prin codificarea a doi biți pe simbol pe patru niveluri de amplitudine. Aceeași viteză de transmisie, de două ori mai mare decât datele. Elegant, într-adevăr. Numai că acum receptorul trebuie să facă distincția între patru niveluri de tensiune în loc de două, iar distanța dintre aceste niveluri este de aproximativ o treime din ceea ce a fost cu NRZ. Matematica rezultă cu aproximativ 10 dB mai slab raportul semnal-la-zgomot. Aceasta nu este o eroare de rotunjire-aceasta este diferența dintre un link care funcționează și unul care nu.

Acesta este motivul pentru care fiecare transceiver de 400G este livrat cu corectarea erorilor înainte inclusă. Nu este opțional. Nu este „recomandat pentru distanțe mai lungi”. Obligatoriu. Reed-Solomon RS(544,514) FEC-ceea ce standardele numesc KP4 - adaugă simboluri de paritate care permit receptorului să corecteze erorile fără retransmitere. Fără el, legăturile PAM4 ar fi inutilizabile.

 

Politica cu factor de formă

 

Am participat la mai multe dezbateri QSFP-DD versus OSFP decât îmi doresc să-mi amintesc.

Tabăra QSFP-DD susține compatibilitatea anterioară. Și au dreptate-puteți introduce un modul QSFP28 într-o cușcă QSFP-DD și funcționează. Investiția dvs. existentă în optică 100G nu este blocată. Factorul de formă măsoară 18,35 mm pe 89,4 mm, suficient de compact pentru a încăpea 36 de porturi pe un panou frontal 1U. Adică 14,4 terabiți per unitate de rack dacă populați fiecare slot. Pentru operatorii care fac upgrade-uri incrementale, acest lucru contează.

Contor de partizani OSFP cu spatiu termic. Factorul de formă mai mare-22,58 mm pe 107,8 mm-oferă o suprafață mai mare pentru disiparea căldurii și permite modele de radiatoare integrate pe care QSFP-DD nu le poate egala. Plicurile de putere se întind până la 15-20W față de plafonul QSFP-DD de 12-15W. Când utilizați optică coerentă sau planificați pentru 800G, acea marjă termică devine relevantă.

NVIDIA a devenit OSFP pentru Quantum-2 InfiniBand. Arista oferă ambele. Cisco și Juniper folosesc QSFP-DD pentru schimbarea întreprinderii. Piața nu a ales un câștigător și, în acest moment, probabil că nu va alege. Ambii factori de formă vor coexista, servind segmente diferite cu priorități diferite.

Ce anume determină alegerea ta? De obicei, platforma de comutare la care v-ați angajat deja.

 

 

Ce înseamnă de fapt DR4 și FR4

 

Nomenclatura urmează un model, dar acel model are excepții care împiedică oamenii în mod constant.

DR4reprezintă o acoperire de 500-metri pe fibră cu un singur-mod. Patru benzi optice paralele, fiecare rulând 100G PAM4 la o lungime de undă de 1310 nm. Conector MPO-12. Frumusețea DR4 este capacitatea de breakout - un modul poate fi împărțit în patru legături 100G-DR independente folosind un cablu fanout. Util atunci când conectați comutatoare 400G spine la porturi 100G leaf pe care nu sunteți pregătit să faceți upgrade.

FR4extinde acoperirea la 2 kilometri prin lungimea de undă-multiplexând patru semnale 100G pe o singură pereche de fibre. Spațiere CWDM4 la 1271, 1291, 1311 și 1331 nm. Conector LC duplex în loc de MPO. Cablare mai ordonată, acoperire mai lungă, cost mai mare.

SR8se ocupă de scenarii de fibră multimodală-opt benzi paralele 50G peste OM4, maxim 100-metri. Conector MPO-16. Mai ales relevant pentru conexiunile scurte ToR-server, unde există deja infrastructură multimodală.

Decalajele de preț sunt substanțiale. Un modul DR4 ar putea rula 400-500 USD în volum. FR4 împinge spre 500-600 USD. LR4 pentru o rază de 10 km? Dubla asta sau mai mult. Specificarea LR4 pentru o implementare în care cea mai lungă distanță este de 300 de metri înseamnă arderea banilor pentru un beneficiu operațional zero.

 

Taxa DSP

 

Fiecare modul optic de 400G conține un procesor de semnal digital. Fiecare singur. DSP gestionează egalizarea feed-forward, egalizarea feedback-ului de decizie, recuperarea ceasului și a datelor și codificarea/decodificarea FEC. În modulele coerente, adăugați compensarea dispersiei cromatice și gestionarea dispersiei în modul de polarizare.

DSP-ul arde și putere. Multe.

În transceiver-urile tipice 400G, DSP-ul consumă mai mult de jumătate din consumul total de energie al modulului. Un modul de 10W ar putea vedea 5-6W mergând direct la procesarea semnalului. Marvell, Broadcom și fostul Inphi (acum parte a Marvell) s-au luptat pentru a micșora nodurile de proces - tranzițiile de la 7 nm la 5 nm au realizat economii de energie de aproximativ 20%. Dar nu se poate ocoli realitatea fundamentală că PAM4 necesită o suprafață de calcul substanțială pentru a funcționa.

Unii din industrie împing optica liniară conectabilă-mută DSP-ul în comutatorul ASIC în sine și rulează optice mai simple, cu putere mai redusă-. Argumentul are sens teoretic. Contraargumentul implică interoperabilitatea modulelor și coșmarul practic al calificării opticii pe diferite platforme de comutare fără o interfață DSP standardizată. Această dezbatere va continua ani de zile.

 

 

Fotonica siliciului schimbă economia

 

Intel și Cisco au pariat devreme pe fotonica cu siliciu, iar acest pariu dă roade.

Optica tradițională discretă necesită asamblare manuală: cipuri laser de la o fabrică, modulatoare de la alta, fotodetectoare de la un al treilea, toate legate între ele într-un dans de precizie care nu se scalează elegant. Fotonica cu siliciu integrează cea mai mare parte a motorului optic pe o singură matriță de siliciu folosind procese standard de fabricare CMOS.

Modulele fotonice cu siliciu 400G-DR4 livrate astăzi de la mai mulți furnizori oferă o economie convingătoare pentru implementările la scară largă. Consumul de energie scade-unele module fotonice DR4 cu siliciu atinge sub 8 W cu DSP-uri de 7 nm. Producția este mai previzibilă. Îmbunătățirile randamentului se traduc direct în reduceri de costuri.

Captura? Siliciul face un laser groaznic. Fizica benzii interzise indirecte nu a fost abrogată. Așadar, chiar și modulele de „fotonică a siliciului” folosesc de obicei un cip de câștig extern InP sau GaAs, hibrid-integrat pe platforma de siliciu. Este o inginerie inteligentă, dar terminologia exagerează ușor ceea ce se întâmplă de fapt.

Alibaba a implementat siliciu fotonic 400G DR4 începând cu 2020. Intel pretinde o cotă de piață de 60% în transceiver-uri fotonice cu siliciu pentru datacom. Liniile de tendință favorizează ca această tehnologie să continue să câștige pondere.

 

Densitatea termică este problema tuturor acum

 

Un comutator 400G complet populat generează căldură care ar fi fost de neconceput cu un deceniu în urmă.

Rulați numerele: 32 de porturi de module 400G-DR4 la 10-12W fiecare. Asta înseamnă 320-384 W numai de la transceiver-uri, înainte de a lua în considerare comutatorul ASIC, memorie, ventilatoare și overhead de conversie a puterii. Densitatea termică în rândurile centrelor de date s-a dublat aproximativ în cinci ani. Inginerii instalațiilor nu sunt mulțumiți de acest lucru.

Factorul de formă mai mare al OSFP ajută la-mai multă suprafață, canale de flux de aer mai bune, design integrat al radiatorului. Modulele QSFP-DD depind mai mult de arhitectura termică a echipamentului gazdă. Niciuna dintre abordări nu este greșită, dar considerentele termice ar trebui să vă informeze absolut decizia privind factorul de formă dacă construiți pentru sarcini de lucru susținute cu lățime de bandă mare-.

Răcirea cu aer se apropie de limitele practice la aceste densități. Răcirea cu lichid-plăci reci pe comutatoare ASIC, posibil imersie pentru rafturi întregi-a trecut de la exotic la pur și simplu scump. Expertiza în infrastructură și întreținere necesară este încă în urmă cu curbele de adoptare.

 

Breakout Flexibilitate

 

O capacitate care merită mai multă atenție: modulele 400G pot funcționa în configurații breakout, prezentându-se ca mai multe interfețe cu rate mai mici-.

Un 400G-DR4 se poate sparge la patru legături 100G-DR. Un cablaj duplex MPO-12 până la 4xLC ventila un singur port DR4 către patru perechi SMF independente. Arhitecții de rețea adoră această flexibilitate pentru medii cu viteză mixtă și upgrade-uri etapizate.

Implicațiile cablajului structurat sunt însă reale. Dacă nu planificați scenarii de erupție din prima zi, veți rula cabluri de corecție ad-hoc în decurs de șase luni de la implementare. Designul instalației dumneavoastră de fibre trebuie să se adapteze la aceste cazuri de utilizare în mod proactiv.

 

Igiena conectorului contează mai mult decât credeți

 

Câteva lucruri învățate prin experiență dureroasă:

Conectorii MPO de pe modulele DR4 și SR8 folosesc lustruire APC (contact fizic unghiular). Conectorii LC de pe FR4 și LR4 sunt de obicei UPC (contact ultra-fizic). Amestecarea conectorilor APC și UPC-care este șocant de ușor de făcut accidental-vă va aduce o pierdere de rentabilitate de peste 20 dB și erori intermitente care vor înnebuni echipele de depanare. Codarea culorilor există dintr-un motiv: verde pentru APC, albastru pentru UPC.

Compatibilitatea cu modulul EEPROM este mai dezordonată decât recunosc furnizorii. Emițătoarele-recepția terță parte „compatibile”-care funcționează perfect într-un model de comutator pot genera erori în alt comutator cu același ASIC, dar cu firmware diferit. Includeți timp de calificare în procesul dvs. de achiziție.

Temperatura contează mai mult decât sugerează fișele de specificații. Aceste module sunt de obicei evaluate pentru temperaturi ale carcasei de până la 70 de grade, dar performanța se degradează înainte de a atinge acel plafon. Menținerea lor rece produce un comportament mai consistent.

 

Unde se potrivește 800G

800G și, în cele din urmă, 1.6T vor domina în mediile AI/ML cu cerințe diferite și conversații bugetare diferite. Majoritatea rețelelor nu vor trebui să urmărească imediat această curbă.

 

Concluzia

 

Modulele optice 400G au trecut de la o infrastructură de vârf la cea de bază. Deciziile tehnologice-QSFP-DD versus OSFP, paralel versus WDM, fotonica cu siliciu versus discret-nu mai prezintă același risc ca acum trei sau patru ani.

Potriviți factorul de formă cu strategia platformei dvs. de comutare. Selectați tipul de transceiver pe baza cerințelor reale de acoperire, nu-paranoia în cel mai rău caz. Nu depăși-spec. Construit în marja termică. Planificați-vă instalația de fibre pentru scenarii de erupție. Și păstrați-vă conectorii MPO curați.

Următorii câțiva ani vor aduce îmbunătățiri incrementale-DSP-urilor cu putere mai mică, randamente fotonice de siliciu mai bune, poate unele mișcări pe arhitecturile conectabile liniare. Dar platforma tehnologică fundamentală s-a stabilizat. 400G este doar infrastructură acum. Genul pe care îl puteți planifica cu o încredere rezonabilă.

După ani de haos 100G și incertitudine de 400G, această predictibilitate contează pentru ceva.