مستقبل البيانات: وحدة بصرية 400 جرام

 

 

حروب عامل الشكل لا أحد يتحدث عنها بصراحة

 

ادخل إلى أي مؤتمر للشبكات الضوئية وستستمع إلى مناقشة QSFP-DD مقابل OSFP في إطار مقارنة فنية. ليست كذلك. إنها معركة سياسية ترتدي أوراق المواصفات.

فاز QSFP-DD بمعركة الحجم قبل شحن أول محول 400 جيجا. إن التوافق مع أقفاص QSFP28 يعني أن كل مشغل شبكة يمكنه من الناحية النظرية الترقية دون تدمير البنية التحتية الحالية. يؤدي ذلك "نظريًا" إلى بذل جهد كبير-لقد شاهدت مهندسين يقضون عطلات نهاية الأسبوع بأكملها وهم يحاولون جعل البرامج الثابتة للمحولات القديمة تتعرف على-وحدات الكثافة المزدوجة التي تتلاءم جسديًا ولكنها تسيء التصرف كهربائيًا.

جاء OSFP من معسكر Arista بفكرة واضحة: وحدة أكبر، ودرجات حرارة أفضل، مصممة لـ 400G من الصفر بدلاً من إجبار ثمانية ممرات في قفص مصمم لأربعة أشخاص. يتعامل المبدد الحراري المدمج مع 15-20 واط دون بذل أي جهد. QSFP-DD بقوة 12 واط؟ تم بالفعل تجاوز الحدود الحرارية في عمليات النشر عالية الكثافة.

اختارت الصناعة QSFP-DD على أي حال. التوافق يفوز. دائما لديه.

ولكن إليك ما لم تذكره أبدًا مقالات مقارنة عامل الشكل: تتضاعف اختلافات السعة الحرارية بشكل كبير على نطاق واسع. يعمل المحول ذو 32-منفذ 400G المملوء بالكامل بوحدات QSFP-DD على تبديد ما يقرب من 640 واط من البصريات وحدها. وذلك قبل التبديل ASIC، وطائرة التحكم، والمراوح، وإمدادات الطاقة. نحن نتحدث عن إجمالي 1.5-2 كيلووات في هيكل 1RU. هندسة تدفق الهواء المطلوبة لإبقاء تلك الوحدات تحت درجة حرارة الوصلة تحد من حدود تصميم الفضاء الجوي.

 

PAM4 جعل كل شيء أصعب

 

يحتفل الجميع بـ PAM4 لمضاعفة الكفاءة الطيفية. لا أحد يذكر الكابوس الهندسي الذي خلقه.

كان NRZ بسيطًا. مستويين للجهد. تمثل الإشارة إما واحدًا أو صفرًا. يحتوي مخطط عينك على فتحة واحدة. إذا كان نظيفاً، فأنت ذهبي.

ينقل PAM4 بتتين لكل رمز باستخدام أربعة مستويات للسعة. ثلاث فتحات عيون مكدسة. يبلغ ارتفاع كل عين-ثلث ارتفاع عين NRZ المكافئة تقريبًا. تنهار هوامش الضوضاء. وفجأة، أصبح كل ملليمتر من أثر ثنائي الفينيل متعدد الكلور مهمًا. كل عبر يخلق انعكاسا. كل انقطاع في المعاوقة بين ASIC المضيف وقفص الوحدة الضوئية يصبح مصدر قلق بشأن الموثوقية.

لقد أمضيت ستة أشهر في تصحيح أخطاء نشر 400G حيث ظهرت أخطاء CRC العشوائية على منافذ محددة. السبب الجذري؟ أدى وجود موصل مواصفات خارج -من- قليلاً على اللوحة المضيفة إلى حدوث خسارة إرجاع كافية لإتلاف عين PAM4 الأدنى. جيد تمامًا لحركة مرور 100G. كارثية لـ 400 جرام.

وكانت استجابة الصناعة إلزامية FEC. لا يمكنك تشغيل بصريات 400G PAM4 بدون تصحيح الأخطاء للأمام-حيث يتجاوز معدل الخطأ في البتات (BER) الحدود القابلة للاستخدام. يضيف RS(544,514) ما يقرب من 300 نانو ثانية من زمن الوصول. ليست ضخمة. ولكن أخبر ذلك لمجموعة HPC التي تقوم بتشغيل وظائف MPI حيث يؤثر كل ميكروثانية من زمن الوصول على وقت إكمال المهمة.

 

 

كان من المفترض أن تنقذنا الضوئيات السيليكونية

 

تبدو فكرة الضوئيات السيليكونية مثالية على الورق. استفد من عقود من الاستثمار الرائع في CMOS. دمج المغيرين والكاشفات الضوئية والأدلة الموجية في شريحة واحدة. تحقيق وفورات الحجم التي لا تستطيع مكونات InP وGaAs المنفصلة تحقيقها. ينخفض ​​استهلاك الطاقة بنسبة 20-30%. وتصل التكاليف في نهاية المطاف إلى التكافؤ ثم تقوض الأساليب التقليدية.

قامت إنتل بشحن أكثر من ثلاثة ملايين جهاز إرسال واستقبال ضوئي من السيليكون 100 جيجا. قامت شركة Alibaba بنشر 400G DR4 من وحدات السيليكون الضوئية عبر شبكتها السحابية بدءًا من عام 2020. وقد نجحت هذه التكنولوجيا.

لكن الضوئيات السيليكونية لديها سر قذر: لا يمكن أن تكون مصادر الضوء من السيليكون.

أنت بحاجة إلى ليزر خارجي-يكون عادةً قالب فوسفيد الإنديوم-إما مرتبطًا بـ PIC السيليكون أو مقترنًا عبر الألياف. يضيف هذا التكامل الهجين تعقيد التصنيع. الغلة تعاني. إن ميزة التكلفة التي وعد بها الجميع يتم دفعها باستمرار لجيل آخر.

الشركات التي تضاعف جهودها في مجال الضوئيات السيليكونية لـ 400G تشمل بعض الأشخاص الأذكياء للغاية الذين يقومون بمراهنات باهظة الثمن. بلغ إجمالي استحواذ Cisco على Luxtera وAcacia 3.26 مليار دولار. هذه ليست أموال ميزانية البحث والتطوير. هذا هو الاستثمار الاستراتيجي في البنية التحتية.

وتحكي بيانات حصة السوق قصة أكثر تعقيدا. وفقًا لـ LightCounting، لا تزال وحدات السيليكون الضوئية تمثل أقل من 10% من إجمالي شحنات 400G على الرغم من سنوات من الضجيج. تهيمن أجهزة الإرسال والاستقبال التقليدية المستندة إلى EML- على تطبيقات DR4 وFR4. يحدث التحول التكنولوجي بشكل أبطأ مما اقترحته البيانات الصحفية.

 

ما تخفيه أوراق المواصفات حول الوصول

 

يبدو اصطلاح تسمية IEEE للبصريات 400G مفيدًا حتى تحاول شراء الوحدات فعليًا.

400 جيجا-SR8: 100 متر عبر الألياف متعددة الأوضاع. ثمانية ممرات متوازية عند 850 نانومتر. جيد بالنسبة لوصلات الحامل الموجودة داخل-. رهيب لأي شيء آخر.

400G-DR4: 500 متر عبر الألياف ذات الوضع الفردي-. أربعة ممرات متوازية عند 1310 نانومتر. العمود الفقري لمعظم اتصالات مراكز البيانات.

400G-FR4: 2 كيلومتر، الوضع الفردي-، أطوال موجات CWDM متعددة الإرسال على زوج ألياف واحد. يستخدم أشعة الليزر المعدلة خارجيًا باهظة الثمن.

400G-LR4: 10 كيلومتر. نفس مخطط الطول الموجي مثل FR4 ولكن مع التضخيم البصري لتوسيع نطاق الوصول.

بسيطة بما فيه الكفاية. باستثناء الشركات المصنعة التي تلعب بشكل سريع وفضفاض مع هذه التسميات باستمرار.

لقد رأيت وحدات "متوافقة مع DR4" تصل إلى 500 متر في ظل ظروف المختبر وتفشل على ارتفاع 300 متر مع مصنع ألياف فعلي به فقدان موصل مرتفع قليلاً. المواصفات تقول 500 متر مع ميزانية وصلة 7 ديسيبل. تعمل الرياضيات بشكل مثالي على افتراض وجود اتصالات أصلية في كل مكان. يتضمن الواقع موصلات قذرة، وتوصيلات غير كاملة، ومسارات ألياف تستغرق مسارًا أطول قليلاً عبر السقف مما أشارت إليه رسومات إدارة الكابلات.

يبدو مدى FR4 الذي يبلغ 2 كم كافيًا حتى تقوم بتوصيل المباني في الحرم الجامعي وتكتشف أن مسار الألياف الخاص بك يبلغ طوله 2.3 كيلومتر. أنت الآن بحاجة إلى وحدات LR4 بتكلفة ثلاثة أضعاف، أو ستبدع في التضخيم، أو تقبل أن هذا الارتباط لن يعمل فعليًا.

 

قرار DR4 مقابل FR4

 

هذا الأمر مهم بالفعل لعمليات النشر الحقيقية ولا أحد يشرحه جيدًا.

يستخدم DR4 أربعة ألياف متوازية للإرسال وأربعة للاستقبال. إجمالي ثمانية ألياف. موصل MPO-12 بأربعة أوضاع غير مستخدمة. الحد الأقصى للوصول 500 متر. استهلاك الطاقة عادة 8-10 واط. تبلغ تكلفة الوحدة حوالي 60% من ما يعادل FR4.

يستخدم FR4 تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي لوضع جميع الممرات الأربعة على زوج من الألياف واحد. موصل LC مزدوج. الحد الأقصى للوصول 2 كيلومتر. استهلاك الطاقة عادة 10-12 واط. أسعار متميزة لأن ليزر EML ليس رخيصًا.

تحدد طوبولوجيا الألياف كل شيء.

مركز بيانات Greenfield مع الكابلات المنظمة التي تحددها؟ الألياف الموازية منطقية. قم بتشغيل كبلات قناة MPO بين الصفوف. استخدم DR4 في كل مكان. انخفاض تكلفة البصريات يعوض الألياف الإضافية.

بيئة براونفيلد مع مصنع الألياف المزدوجة الحالي؟ FR4 أو أنك تسحب كابلًا جديدًا.

بيئة مختلطة مع بعض المسارات المتوازية وبعض النباتات القديمة المزدوجة؟ مرحبا بكم في كابوس التوافق. سينتهي بك الأمر مع كلا النوعين من الوحدات، وأنماط موصلات مختلفة، وخزانة واحدة على الأقل حيث استخدم شخص ما سلك تصحيح خاطئ وقضى أربع ساعات في استكشاف أخطاء تنبيهات "الارتباط لأسفل" وإصلاحها.

 

سؤال الاختراق

 

تحتوي وحدة 400G-DR4 على أربعة ممرات 100G. يعمل كل حارة بشكل مستقل في الطبقة البصرية. يتيح ذلك إمكانية توصيل منفذ تحويل 400 جيجا بايت بأربعة أجهزة منفصلة 100 جيجا بايت باستخدام مجموعة ألياف فرعية.

يبدو الاقتصاد مقنعا. منفذ واحد 400G. أربعة خوادم 100G. لا حاجة لمنافذ التبديل الإضافية.

أما الواقع فهو أكثر تعقيداً.

لا تدعم Switch ASICs دائمًا تكوينات الاختراق التعسفية. تتطلب بعض الأنظمة الأساسية برامج ثابتة محددة. والبعض الآخر يسمح فقط بالاختراق على مجموعات منافذ معينة. يقوم عدد قليل من التطبيقات بتنفيذ اختراق في الأجهزة ولكن حزمة البرامج لا تكشف عن خيار التكوين.

والأسوأ من ذلك: أن كابلات الاختراق تخلق كوابيس الدعم. هل المشكلة في وحدة 400G أم في مجموعة الاختراق أم في أحد منافذ جهاز 100G الأربعة؟ يتطلب استكشاف الأخطاء وإصلاحها تبديل الكابلات، واختبار كل ساق بشكل مستقل، والدعاء بأن المشكلة قابلة للتكرار.

لقد رأيت مؤسسات تعمل على توحيد معايير 100G الأصلية في كل مكان على وجه التحديد لتجنب تعقيد الاختراق. البصريات تكلف أكثر. تعاني كثافة منفذ التبديل. لكن البساطة التشغيلية تفوز.

 

 

واقع استهلاك الطاقة

 

تسرد كل ورقة بيانات وحدة 400G استهلاك الطاقة. الأرقام دقيقة من الناحية الفنية وغير مجدية عمليا.

قد تبلغ مواصفات QSFP-DD DR4 8.5 واط نموذجيًا. هذه هي الوحدة المأخوذة من سكة المفتاح 3.3 فولت في ظل ظروف التشغيل العادية. لا يتضمن الطاقة الإضافية التي يستهلكها المحول ASIC في قيادة تلك الممرات الثمانية 50G PAM4. ولا يأخذ في الاعتبار الإدارة الحرارية العامة-المراوح القوية، وتدفق الهواء الإضافي، وربما التبريد الإضافي.

عند وجود 32 منفذًا لكل محول، يصل الفرق بين الوحدات بقدرة 8 وات و12 وات إلى 128 وات. هذا ليس بالأمر التافه عندما تخطط لتوزيع الطاقة لصف كامل من الرفوف.

لا يؤدي الانتقال من 100 جيجا إلى 400 جيجا إلى زيادة استهلاك الطاقة بمقدار أربعة أضعاف لكل منفذ-وتساعد مكاسب الكفاءة من التكامل وتحسينات معالج الإشارة الرقمية. لكن الطاقة الإجمالية لكل مفتاح زادت بشكل مطلق. تكتشف مراكز البيانات التي خططت للبنية التحتية للكهرباء والتبريد بكثافة تبلغ حوالي 100 جيجا بايت قيودًا على السعة عند الترقية إلى 400 جيجا بايت عند إجمالي عدد السكان.

 

التوافق ليس ثنائيًا

 

يحب البائعون الادعاء بأنه "متوافق مع جميع منصات التبديل الرئيسية". هذا البيان يمكن الدفاع عنه من الناحية الفنية ومضلل عمليا.

يعتمد توافق الوحدة الضوئية على أكثر من مجرد الملاءمة البدنية والإشارات الكهربائية. تختلف بروتوكولات DOM (المراقبة البصرية الرقمية) بين البائعين. تتمتع تطبيقات CMIS (مواصفات واجهة الإدارة العامة) بمرونة كافية بحيث لا يتفاعل تطبيقان "متوافقان" بشكل نظيف. تتحقق بعض المفاتيح من رموز هوية البائع وترفض إضاءة الوحدات غير المعروفة بالكامل.

لقد انفجرت السوق الرمادية للبصريات 400G "المتوافقة" على وجه التحديد لأن وحدات اسم العلامة التجارية-تكلف 3-5 أضعاف تكلفة البدائل الخارجية. بعض هذه البدائل تعمل بشكل لا تشوبه شائبة. ويتسبب البعض الآخر في حدوث مشكلات خفية لا تظهر إلا في ظل أنماط مرورية محددة أو بعد التشغيل لأسابيع.

لقد اختبرت شخصيًا -وحدات 400G DR4 التابعة لجهات خارجية والتي اجتازت كل قياسات المطابقة في المختبر ثم تسببت في ظهور أخطاء FEC غير قابلة للتصحيح عند 2% من حركة المرور تحت حمل الإنتاج. تجاوزت درجة الحرارة داخل الوحدة في ظل تشغيل النطاق الترددي العالي المستمر-ما يمكن للمكونات الضوئية التعامل معه. عملت الوحدة. حتى لم يحدث ذلك.

 

ماذا يعني 800 جرام لـ 400 جرام

 

إن عملية الانتقال إلى 800G جارية بالفعل. يقوم Hyperscalers بنشر 800G اليوم. وستتبعه بقية الصناعة في غضون 18 إلى 24 شهرًا.

لا يؤدي هذا إلى إلغاء 400 جيجا بايت-سيتم شحن الوحدات لسنوات-لكنها تغير من الناحية الاقتصادية.

يستخدم 800G ثمانية ممرات 100G بدلاً من ثمانية ممرات 50G في 400G. نفس تعديل PAM4، معدل رمز أعلى لكل حارة. الفيزياء تصبح أكثر صعوبة. تدفع الأظرف الحرارية نحو 20-25 واط لكل وحدة. تصبح ميزة الإرتفاع الحراري لـ OSFP أكثر أهمية عند مستويات الطاقة هذه.

والأهم من ذلك، أن وحدات 800G يمكن أن تنقسم إلى تكوينات 400G مزدوجة. توفر وحدة 800G-2xDR4 وصلتين مستقلتين 400G. بالنسبة للبيئات ذات المتطلبات المختلطة 400G و800G، تعمل إمكانية الاختراق هذه على تبسيط إدارة المخزون.

يحتفظ مشغلو مراكز البيانات الذين أتحدث إليهم في الغالب بـ 400 جيجا بايت لاتصال العمود الفقري للأوراق- بينما يقيمون 800 جيجا بايت للتوصيلات البينية لمجموعة وحدات معالجة الرسومات (GPU) حيث تكون كثافة عرض النطاق الترددي أكثر أهمية. إن أعباء عمل تدريب الذكاء الاصطناعي مع جميع أنماط الاتصال-إلى-جميعها تؤكد بشكل حقيقي على روابط 400G بطرق لم تفعلها حركة المرور التقليدية في الشمال-الجنوب مطلقًا.

 

شركة -شركة البصريات المعبأة

 

يعلم الجميع في الصناعة أن CPO قادم. أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية مدمجة مباشرة مع محولات ASIC. لا توجد وحدات قابلة للتوصيل على الإطلاق. وينخفض ​​استهلاك الطاقة من 15 بيكوجول لكل بت إلى 5 ربما، وربما أقل من 1 بيكوجول مع نضوج التكنولوجيا.

أعلنت NVIDIA عن خطط CPO لأجهزة 2025/2026. لقد أظهرت ميتا ومايكروسوفت نماذج أولية. تقوم OIF بتوحيد الواجهات.

السؤال ليس ما إذا كان CPO يحدث. بل يتعلق الأمر بما إذا كان الأمر يحدث بسرعة كافية ليشكل أهمية بالنسبة لدورة التخطيط الحالية.

قراءتي: تهيمن البصريات القابلة للتوصيل حتى عام 2028 على الأقل بالنسبة لمعظم عمليات النشر. قد يظهر CPO في الإصدارات المخصصة لـ Hyperscaler سابقًا. إن المرونة التشغيلية للوحدات -القابلة للتبديل السريع-والقدرة على استبدال العناصر الضوئية الفاشلة دون إيقاف تشغيل المحول-تهم بشكل كبير بالنسبة للبيئات التي لا تحتوي على تكرار N+1 في كل مكان.

خطط لتوصيل 400G و800G اليوم. ميزانية تقييم CPO في ثلاث سنوات. لا تدع شرائح خارطة طريق البائع تعمل على تسريع الجداول الزمنية التي لا يمكن لواقع التصنيع دعمها.

 

إرشادات عملية تساعد بالفعل

 

بالنسبة للبنيات الجديدة: قم بالتوحيد القياسي على DR4 مع البنية التحتية للألياف المتوازية. توفير التكاليف على مركب FR4 عبر آلاف الوحدات. قم بتخطيط الطاقة والتبريد بقدرة 10 واط لكل وحدة حتى لو وعدت أوراق المواصفات بـ 8.

للترقيات: قم بمراجعة مصنع الألياف الموجود لديك بقلق شديد. معرفة الخسارة المقاسة الفعلية في كل قطاع. اكتشف انتهاكات حدود DR4 التي يبلغ طولها 400 متر قبل وصول بصرياتك.

بالنسبة لمجموعات الذكاء الاصطناعي: 800G هي الإجابة الصحيحة بالفعل. متطلبات عرض النطاق الترددي تبرر القسط. لا تقطع نصف-الخطوة إلى 400 جيجا بايت إذا كانت أعباء العمل لديك ستتجاوزها خلال 18 شهرًا.

للجميع: اختبر عناصر{{0}الطرف الثالث على نطاق واسع قبل نشر وحدة التخزين. وفورات التكاليف حقيقية. وكذلك الإخفاقات. قم بالتحقق من صحة منصات التبديل الخاصة بك تحت حمل واقعي قبل الالتزام بدولارات المخزون.

تعمل التكنولوجيا. تم شحن عشرين مليون وحدة 400G و800G في عام 2024 لسبب ما. لكن الانتقال من 100G يتطلب الاهتمام بالتفاصيل التي تحذفها أوراق المواصفات والمواد التسويقية بسهولة. الفيزياء لا تهتم بالجدول الزمني للنشر الخاص بك.