Módulo óptico 400G: principais recursos e benefícios

 

A realidade do PAM4

 

Aqui está algo que demorei um pouco para internalizar: PAM4 não é apenas “NRZ melhor”. É um desafio de integridade de sinal fundamentalmente diferente.

NRZ nos deu dois níveis de amplitude. Alto ou baixo. Um ou zero. Limpo, simples e funcionou perfeitamente com 25G por pista. Mas quando a indústria tentou levar o NRZ para 50G, a física parou de cooperar. Os diagramas dos olhos desmoronaram. A equalização não conseguiu acompanhar. Os custos de fabricação de componentes que pudessem manter a integridade do sinal nessas velocidades tornaram-se proibitivos para implantação em volume.

O PAM4 resolveu o problema da velocidade codificando dois bits por símbolo em quatro níveis de amplitude. A mesma taxa de transmissão, o dobro dos dados. Elegante, realmente. Exceto que agora seu receptor precisa distinguir entre quatro níveis de tensão em vez de dois, e o espaçamento entre esses níveis é aproximadamente um terço do que era com o NRZ. A matemática resulta em uma relação sinal-para-ruído aproximadamente 10 dB pior. Isso não é um erro de arredondamento-é a diferença entre um link que funciona e outro que não funciona.

É por isso que todo transceptor 400G é fornecido com correção direta de erros incorporada. Não é "recomendado para alcances mais longos". Obrigatório. O Reed-Solomon RS(544,514) FEC-que os padrões chamam de KP4 - adiciona símbolos de paridade que permitem ao receptor corrigir erros sem retransmissão. Sem ele, os links PAM4 seriam inutilizáveis.

 

Política de fator de forma

 

Já assisti a mais debates QSFP{0}}DD versus OSFP do que gostaria de lembrar.

O campo QSFP-DD defende a compatibilidade com versões anteriores. E eles estão certos-você pode encaixar um módulo QSFP28 em uma gaiola QSFP-DD e funciona. Seu investimento existente em óptica de 100G não está perdido. O formato mede 18,35 mm por 89,4 mm, compacto o suficiente para acomodar 36 portas em um painel frontal 1U. São 14,4 terabits por unidade de rack se você preencher todos os slots. Para operadoras que fazem atualizações incrementais, isso é importante.

Contador de guerrilheiros OSFP com altura livre térmica. O formato maior-22,58 mm por 107,8 mm-oferece mais área de superfície para dissipação de calor e permite designs de dissipadores de calor integrados que o QSFP-DD não consegue igualar. Os envelopes de potência chegam a 15-20 W em comparação ao teto de 12-15 W do QSFP-DD. Quando você está executando uma óptica coerente ou planejando 800G, essa margem térmica se torna relevante.

A NVIDIA optou pelo OSFP para Quantum{3}}2 InfiniBand. Arista oferece ambos. Cisco e Juniper utilizam QSFP-DD para switching empresarial. O mercado ainda não escolheu um vencedor e, neste momento, provavelmente não o fará. Ambos os formatos coexistirão, atendendo a diferentes segmentos com diferentes prioridades.

O que realmente determina sua escolha? Geralmente a plataforma de switch com a qual você já se comprometeu.

 

 

O que DR4 e FR4 realmente significam

 

A nomenclatura segue um padrão, mas esse padrão tem exceções que enganam as pessoas constantemente.

DR4significa alcance de 500-metros em fibra-monomodo. Quatro pistas ópticas paralelas, cada uma executando 100G PAM4 em comprimento de onda de 1310nm. Conector MPO-12. A beleza do DR4 é a capacidade de breakout - um módulo pode ser dividido em quatro links 100G-DR independentes usando um cabo fanout. Útil ao conectar switches de coluna 400G a portas leaf de 100G que você não está pronto para atualizar.

FR4estende o alcance para 2 quilômetros por comprimento de onda-multiplexando quatro sinais de 100G em um único par de fibra. Espaçamento CWDM4 em 1271, 1291, 1311 e 1331 nm. Conector Duplex LC em vez de MPO. Cabeamento mais organizado, maior alcance, custo mais alto.

SR8lida com cenários de fibra multimodo-oito pistas paralelas de 50G sobre OM4, máximo de 100-metros. Conector MPO-16. Principalmente relevante para conexões curtas de ToR para servidor onde já existe infraestrutura multimodo.

As diferenças de preços são substanciais. Um módulo DR4 pode custar US$ 400-500 em volume. FR4 avança para US$ 500-600. LR4 para alcance de 10 km? O dobro disso ou mais. Especificar o LR4 para uma implantação onde o percurso mais longo é de 300 metros é queimar dinheiro e obter benefício operacional zero.

 

O imposto DSP

 

Cada módulo óptico 400G contém um processador de sinal digital. Cada um deles. O DSP lida com equalização de feed{3}forward, equalização de feedback de decisão, recuperação de relógio e dados e codificação/decodificação FEC. Em módulos coerentes, adicione compensação de dispersão cromática e gerenciamento de dispersão do modo de polarização.

O DSP também queima energia. Muito disso.

Em transceptores 400G típicos, o DSP consome mais da metade do consumo total de energia do módulo. Um módulo de 10W pode ver 5-6W indo direto para o processamento de sinal. Marvell, Broadcom e a antiga Inphi (agora parte da Marvell) têm corrido para reduzir os nós de processo - as transições de 7 nm para 5 nm proporcionaram cerca de 20% de economia de energia. Mas não há como evitar a realidade fundamental de que o PAM4 requer uma sobrecarga computacional substancial para funcionar.

Algumas empresas do setor estão promovendo a óptica conectável linear-movendo o DSP para o próprio switch ASIC e executando ópticas mais simples e-de menor potência. O argumento faz sentido teórico. O contra-argumento envolve a interoperabilidade do módulo e o pesadelo prático de qualificar a óptica em diferentes plataformas de switch sem uma interface DSP padronizada. Este debate continuará por anos.

 

 

Silicon Photonics muda a economia

 

Intel e Cisco apostaram cedo na fotônica de silício, e essa aposta está valendo a pena.

A óptica discreta tradicional exige montagem manual: chips de laser de uma fábrica, moduladores de outra, fotodetectores de uma terceira, todos unidos em uma dança de precisão que não pode ser dimensionada com elegância. A fotônica de silício integra a maior parte do mecanismo óptico em uma única matriz de silício usando processos padrão de fabricação CMOS.

Os módulos fotônicos de silício DR4 400G-vendidos atualmente por vários fornecedores oferecem economia atraente para implantações em hiperescala. O consumo de energia cai-alguns módulos DR4 fotônicos de silício atingem menos de 8 W com DSPs de 7 nm. A produção é dimensionada de forma mais previsível. Melhorias de rendimento se traduzem diretamente em reduções de custos.

O problema? O silício é um laser terrível. A física indireta do bandgap não foi revogada. Portanto, mesmo os módulos "fotônicos de silício" normalmente usam um chip externo de ganho InP ou GaAs, híbrido-integrado à plataforma de silício. É uma engenharia inteligente, mas a terminologia exagera um pouco o que realmente está acontecendo.

Alibaba implantou silício fotônico 400G DR4 a partir de 2020. Intel reivindica 60% de participação de mercado em transceptores fotônicos de silício para comunicação de dados. As linhas de tendência favorecem que esta tecnologia continue a ganhar quota.

 

A densidade térmica é um problema de todos agora

 

Um switch 400G totalmente preenchido gera um calor que seria impensável há uma década.

Execute os números: 32 portas de módulos DR4 de 400G-com 10-12W cada. Isso representa 320-384 W apenas dos transceptores, antes de contabilizar o ASIC do switch, memória, ventiladores e sobrecarga de conversão de energia. A densidade térmica nas fileiras dos data centers praticamente dobrou em cinco anos. Os engenheiros de instalações não estão satisfeitos com isso.

O formato maior do OSFP oferece-maior área de superfície, melhores canais de fluxo de ar e designs de dissipador de calor integrados. Os módulos QSFP-DD dependem mais da arquitetura térmica do equipamento host. Nenhuma das abordagens está errada, mas as considerações térmicas devem informar absolutamente sua decisão sobre o fator de forma se você estiver criando cargas de trabalho sustentadas de alta-largura de banda.

O resfriamento do ar está se aproximando dos limites práticos nessas densidades. Resfriamento líquido-placas frias em switch ASICs, potencialmente imersão para racks inteiros-passou de exótico para meramente caro. A experiência necessária em infraestrutura e manutenção ainda está atrasada nas curvas de adoção.

 

Flexibilidade de ruptura

 

Um recurso que merece mais atenção: os módulos 400G podem operar em configurações breakout, apresentando-se como diversas interfaces-de taxas mais baixas.

Um DR4 de 400G-pode se dividir em quatro links de-DR de 100G{4}}. Um chicote de breakout duplex MPO-de 12 a 4xLC ventila uma única porta DR4 para quatro pares SMF independentes. Os arquitetos de rede adoram essa flexibilidade para ambientes de velocidades mistas e atualizações em fases.

As implicações do cabeamento estruturado são reais. Se você não planejar cenários de interrupção desde o primeiro dia, estará executando cabos de patch ad{1}}seis meses após a implantação. O projeto da sua planta de fibra precisa acomodar esses casos de uso de forma proativa.

 

A higiene do conector é mais importante do que você imagina

 

Algumas coisas aprendidas através de experiências dolorosas:

Os conectores MPO nos módulos DR4 e SR8 usam polimento APC (contato físico angular). Os conectores LC em FR4 e LR4 são normalmente UPC (contato ultra físico). Misturar conectores APC e UPC,-o que é surpreendentemente fácil de fazer acidentalmente-, resultará em perda de retorno de mais de 20 dB e erros intermitentes que enlouquecerão as equipes de solução de problemas. O código de cores existe por um motivo: verde para APC, azul para UPC.

A compatibilidade do módulo EEPROM é mais confusa do que os fornecedores reconhecem. Transceptores de terceiros-compatíveis que funcionam perfeitamente em um modelo de switch podem gerar erros em outro switch com o mesmo ASIC, mas com firmware diferente. Inclua tempo de qualificação em seu processo de aquisição.

A temperatura é mais importante do que sugerem as folhas de especificações. Esses módulos são normalmente classificados para temperaturas de gabinete de até 70 graus, mas o desempenho diminui antes de você atingir esse teto. Mantê-los calmos produz um comportamento mais consistente.

 

Onde cabe o 800G

800G e, eventualmente, 1.6T dominarão os ambientes de IA/ML com diferentes requisitos e diferentes conversas orçamentárias. A maioria das redes não precisará seguir essa curva imediatamente.

 

O resultado final

 

Os módulos ópticos 400G fizeram a transição da infraestrutura de ponta para a infraestrutura convencional. As decisões tecnológicas-QSFP-DD versus OSFP, paralela versus WDM, fotônica de silício versus discreta-não acarretam mais o mesmo risco de três ou quatro anos atrás.

Combine o formato com sua estratégia de plataforma de switch. Selecione o tipo de transceptor com base nos requisitos de alcance reais e não na paranóia do pior-caso. Não exagere nas-especificações. Construir margem térmica. Planeje sua planta de fibra para cenários de ruptura. E mantenha seus conectores MPO limpos.

Os próximos anos trarão melhorias incrementais-DSPs de menor potência, melhores rendimentos fotônicos de silício, talvez algum movimento em arquiteturas conectáveis ​​lineares. Mas a plataforma tecnológica fundamental se estabilizou. 400G agora é apenas infraestrutura. Do tipo que você pode planejar com razoável confiança.

Depois de anos de caos 100G e incerteza 400G, essa previsibilidade conta para alguma coisa.