فهم الوحدة الضوئية 400 جرام

 

لماذا حدث 400 جرام عندما حدث ذلك

 

هناك حتمية معينة لتقدم النطاق الترددي الذي يتوقعه المتخصصون في الصناعة. كانت القفزة من 10G إلى 40G كبيرة في ذلك الوقت. ثم وصل 100G وفجأة أصبح الجميع يتحدثون عن تصميمات أوراق العمود الفقري-وأنماط حركة المرور في الشرق-الغربي. لكن 400 جرام؟ لقد كان هذا التحول مختلفا.

إن نظام تعديل NRZ الذي خدمنا جيدًا من 1G إلى 25G لم يتمكن ببساطة من التوسع اقتصاديًا إلى ما بعد 100G. أصبحت الفيزياء باهظة الثمن. أصبحت سلامة الإشارة كابوسا. يمكنك من الناحية الفنية دفع NRZ بقوة أكبر، بالتأكيد-لكن منحنيات التكلفة لم تكن منطقية بالنسبة للنشر بكميات كبيرة. لذلك تمحورت الصناعة حول PAM4.

ما يفعله PAM4-وهذا يستحق الفهم إذا كنت تحدد البنية الأساسية-هو تشفير بتين لكل رمز بدلاً من بت واحد. أربعة مستويات السعة بدلا من اثنين. ضعف إنتاجية البيانات دون مضاعفة معدل الباود. المقايضة؟ تستغرق نسبة الإشارة-إلى-الضوضاء حوالي 10 ديسيبل مقارنةً بـ NRZ. هذا ليس تافها. وهذا هو السبب في أن كل وحدة 400G تأتي مزودة بتصحيح الأخطاء الأمامي، ولماذا أصبح DSP (معالج الإشارات الرقمية) مكونًا بالغ الأهمية في أجهزة الإرسال والاستقبال هذه.

 

 

حروب عامل الشكل

 

لقد شاهدت مناظرة QSFP-DD مقابل OSFP في المعارض التجارية وفي اجتماعات المشتريات لسنوات حتى الآن. كلا الجانبين لديه حجج صحيحة. ولم يفز أي منهما بشكل نهائي.

QSFP-DD خرج من تحالف QSFP-DD MSA مع التوافق مع الإصدارات السابقة كميزة قاتلة. هل لديك مجموعة من وحدات QSFP28 ولست مستعدًا لاستبدالها؟ سيتم إدخالهم مباشرةً في قفص QSFP-DD. الأبعاد-عرض 18.35 ملم وطول 89.4 ملم تجعل عامل الشكل مألوفًا. يمكنك تركيب 36 منفذًا في اللوحة الأمامية المكونة من وحدة واحدة. وهذا يمثل 14.4 تيرابت في الثانية من الإنتاجية الإجمالية إذا قمت بملء كل فتحة. بالنسبة للمشغلين الذين يقومون بالترقية بشكل تدريجي، فإن هذا أمر مهم للغاية.

اتخذ OSFP نهجا مختلفا. قالت مجموعة Octal Small Form-عامل التوصيل: انسَ التوافق مع الإصدارات السابقة، فلنعمل على تحسين الإدارة الحرارية وقابلية التوسع في المستقبل. بعرض 22.58 ملم وطول 107.8 ملم، تتمتع وحدات OSFP بمساحة سطح أكبر لتبديد الحرارة. وهي تدعم مغلفات طاقة تصل إلى 15-20 وات مقابل سقف QSFP-DD الذي يبلغ 12-15 وات. عندما تقوم بتشغيل بصريات متماسكة أو تخطط لـ 800G، تصبح هذه المساحة ذات الصلة.

شاركت NVIDIA بالكامل-في OSFP لمنصة Quantum-2 InfiniBand. هذا ليس شيئا. لكن محولات المؤسسات من Cisco وArista لا تزال تشحن في الغالب منافذ QSFP-DD.

 

ماذا تعني الحروف في الواقع

 

إذا سبق لك أن حدقت في ورقة المواصفات وتساءلت عن سبب تكلفة DR4 أقل من FR4 على الرغم من كونهما "وحدات 400G"، فأنت لست وحدك. تتبع التسميات الأنماط، لكن تلك الأنماط لها استثناءات والاستثناءات لها منطقها الخاص.

• ريال (قصيرة المدى): ألياف متعددة الأوضاع، طول موجي 850 نانومتر. يستخدم 400G-SR8 ثمانية ممرات متوازية من 50G PAM4 عبر موصل MPO-16. يصل النطاق إلى حوالي 100 متر على ألياف OM4-70 مترًا على OM3. هناك أيضًا SR4، الذي يحزم 100 جيجا في كل من الممرات الأربعة باستخدام VCSELs عالية السرعة. نفس الوصول، وألياف أقل. أصبح البديل 400G-SR4.2 (الذي يُسمى أحيانًا BIDI) ذكيًا من خلال الإرسال ثنائي الاتجاه، حيث يقوم بتشغيل طولين موجيين في كل اتجاه لتحقيق 400G عبر أربعة ألياف فقط.
• دي آر4: ألياف أحادية الوضع-، 1310 نانومتر، 500 متر. يعد هذا بمثابة العمود الفقري لاتصالات مركز البيانات الداخلية- الأطول مما يستطيع SR التعامل معه. يحمل كل من الممرات الضوئية الأربعة 100G PAM4 عبر زوج ألياف مخصص. MPO-موصل 12. تعد إمكانية الاختراق هنا مهمة-يمكن تقسيم DR4 إلى أربعة روابط 100G-DR مستقلة، مما يساعد عند توصيل أجهزة 100G القديمة.
• FR4: كيلومتران، الوضع الفردي-. هذا هو المكان الذي تكتسب فيه بنية علبة التروس مكانتها. تأخذ الوحدة ثمانية ممرات كهربائية 50 جيجا، وتحولها إلى أربعة ممرات ضوئية 100 جيجا عبر DSP، ثم يقوم الطول الموجي -بمضاعفة الإرسال الأربعة جميعها على زوج ألياف واحد باستخدام تباعد CWDM4 (1271، 1291، 1311، 1331 نانومتر). موصل LC مزدوج. كابلات أكثر تنظيمًا من النهج المتوازي لـ DR4.
• LR4 وما بعدها: نفس مخطط الطول الموجي مثل FR4، ولكن تم تحسينه للوصول إلى مسافة 10 كيلومترات. يدفع ER4 إلى 40 كم. يصل مدى ZR4 إلى 80 كيلومترًا ولكنه يتطلب اكتشافًا متماسكًا-تقنية مختلفة تمامًا، ونقطة سعر مختلفة، وحالة استخدام مختلفة. يستهدف معيار 400ZR من OIF على وجه التحديد تطبيقات Metro DCI حيث تحتاج إلى بصريات متماسكة قابلة للتوصيل في لوحة واجهة التبديل.

 

 

سؤال دي إس بي

 

يحتوي كل جهاز إرسال واستقبال 400G على معالج إشارة رقمي. كل واحد. هذا ليس اختياريًا-لا يعمل تعديل PAM4 ببساطة بدون تكييف الإشارة المتطور.

ماذا يفعل DSP في الواقع؟ تغذية-التعادل الأمامي للتعويض عن خسارة القناة. معادلة ردود الفعل على القرار للتداخل بين الرموز-. الساعة واستعادة البيانات لاستخراج التوقيت من الإشارة المستقبلة. تشفير FEC عند الإرسال وفك تشفير FEC وتصحيح الأخطاء عند الاستقبال. في الوحدات المتماسكة، أضف تعويض التشتت اللوني وإدارة تشتت وضع الاستقطاب إلى تلك القائمة.

يحرق DSP الطاقة. الكثير منه. في العديد من وحدات 400G، يمثل DSP أكثر من نصف إجمالي استهلاك الطاقة. دخلت Marvell وBroadcom وInphi (التي أصبحت الآن جزءًا من Marvell) في منافسة لتقليص عقد العملية وتحسين الكفاءة. لقد أدى القفز من معالجات الإشارة الرقمية (DSPs) بدقة 7 نانومتر إلى 5 نانومتر إلى توفير الطاقة بشكل ملحوظ-بنسبة 20% للوظائف المكافئة.

هناك جدل مستمر حول ما إذا كان ينبغي لمزودي خدمات الإشارة (DSPs) الانتقال إلى المحول ASIC نفسه (ما يسميه البعض "البصريات الخطية القابلة للتوصيل" أو LPO). تقول الحجة: إذا كنت تقوم بالفعل بمعالجة الإشارات على المحول، فلماذا تكررها في كل جهاز إرسال واستقبال؟ تتضمن الحجة المضادة-قابلية التشغيل التفاعلي للوحدة والتحديات العملية لتأهيل البصريات عبر الأنظمة الأساسية المختلفة للمحولات. هذا سوف يلعب خلال السنوات القليلة المقبلة.

 

الضوئيات السيليكون تدخل الصورة

 

هل تتذكر عندما افترض الجميع أن ليزر InP (فوسفيد الإنديوم) سيهيمن على 400G؟ لقد تحول السرد.

راهنت Intel وCisco مبكرًا على الضوئيات السيليكونية-التي تدمج المكونات الضوئية في ركائز السيليكون باستخدام عمليات تصنيع CMOS القياسية. كان الوعد دائمًا يتعلق بالتكلفة على نطاق واسع. تتطلب البصريات المنفصلة التقليدية التجميع اليدوي لرقائق الليزر والمعدلات وأجهزة الكشف الضوئي، كل منها من مواد مختلفة. تتيح لك الضوئيات السيليكونية بناء جزء كبير من المحرك البصري على قالب واحد.

توفر وحدات الضوئيات السيليكونية 400G-DR4 التي يتم شحنها اليوم اقتصاديات مقنعة لعمليات النشر واسعة النطاق. إنها ليست أرخص عالميًا من البدائل المستندة إلى EML-حتى الآن-ولكن مسار التكلفة يفضل السيليكون مع تحسن العائدات الرائعة. فوائد استهلاك الطاقة أيضًا، خاصة في قسم المغير.

ومع ذلك، فإن السيليكون يصنع ليزرًا متوسطًا. لم يتم حل مشكلة فجوة النطاق غير المباشرة. لذلك، حتى وحدات الضوئيات السيليكونية تستخدم عادةً شريحة كسب InP أو GaAs خارجية، هجينة- مدمجة في منصة السيليكون. إنها هندسة أنيقة، لكن "فوتونيات السيليكون" تظل مصطلحًا طموحًا إلى حد ما.

 

الطاقة والحقائق الحرارية

 

وقد وصل تبريد الهواء إلى حدوده العملية بالنسبة لهذه الكثافات. التبريد السائل-الألواح الباردة على محولات ASIC، مع إمكانية غمر الرفوف بأكملها-لم يعد أمرًا غريبًا. إنها مجرد بنية تحتية باهظة الثمن لا تزال مؤسسات المرافق تتعلم كيفية تحديدها وصيانتها.

 

سيناريوهات الاختراق

 

إحدى الإمكانيات التي لا تحظى باهتمام كافٍ: غالبًا ما يمكن تهيئة وحدات 400G للعملية الفرعية، حيث يتم تقديمها كواجهات متعددة ذات معدل أقل-للنظام المضيف.

يمكن أن يصبح 400G-SR8 رابطين 200G-SR4، أو رابطين 100G-SR4 يعملان بنصف المعدل، أو حتى ثماني قنوات مستقلة 50G (متغير "channelized" أو SR8-C). يمكن لـ 400G-DR4 أن ينقسم إلى أربع اتصالات 100G-DR - وهو أمر مفيد عندما تحتاج إلى توصيل منفذ تبديل 400G بأربعة خوادم منفصلة 100G.

تصبح الكابلات مثيرة للاهتمام هنا. يستخدم حزام الاختراق المزدوج MPO-12 إلى 4xLC منفذ DR4 واحدًا ويوزعه على أربعة أزواج SMF مستقلة. يحب مهندسو الشبكات هذه المرونة، لكن آثار إدارة الكابلات حقيقية. تحتاج خطة الكابلات المنظمة الخاصة بك إلى مراعاة سيناريوهات الاختراق من اليوم الأول، وإلا فسوف تقوم بتشغيل كبلات التصحيح المخصصة بعد ستة أشهر من النشر.

 

ماذا يعني 800 جرام لـ 400 جرام

 

الصناعة تتحرك بسرعة. 800يتم شحن أجهزة الإرسال والاستقبال G الآن-في الغالب متغيرات SR8 وDR8 للتوصيل البيني لمجموعة AI. هل هذا يجعل 400G عفا عليه الزمن؟ ولا حتى قريبة.

لقد نضج النظام البيئي 400G. انخفضت تكاليف الوحدة بشكل كبير. إن إمكانية التشغيل التفاعلي بين الموردين-راسخة بشكل جيد. بالنسبة لغالبية احتياجات الشبكات المؤسسية والسحابية، يمثل 400G النقطة المثالية للأداء والتكلفة والمعرفة التشغيلية. سيظل هذا بمثابة تشغيل كبير للأنسجة الورقية-والاتصال بمراكز البيانات ذات الأغراض العامة- لسنوات.

سوف يهيمن 800G وفي النهاية 1.6T على بيئات الذكاء الاصطناعي/التعلم الآلي حيث تحتاج وحدات معالجة الرسومات إلى نقل بيانات التدريب بمعدلات سخيفة. سوق مختلفة، ومتطلبات مختلفة، ومحادثات مختلفة للميزانية. لن تحتاج معظم الشبكات إلى مطاردة هذا المنحنى.

 

 

اعتبارات عملية لا أحد يكتب عنها

 

بعض الأشياء تعلمتها بالطريقة الصعبة:

يعد توافق الوحدة النمطية EEPROM أمرًا أكثر أهمية مما يعترف به البائعون. قد تؤدي أجهزة الإرسال والاستقبال "المتوافقة" التي تعمل بشكل جيد في أحد نماذج المحولات إلى حدوث أخطاء في نموذج آخر باستخدام نفس ASIC ولكن مع برامج ثابتة مختلفة. خصص وقتًا للاختبار عند تأهيل عناصر -الطرف الثالث.

موصل LC في وحدتي FR4 وLR4 مزدوج -إجمالي أليافين-لكن موصل MPO في DR4 وSR8 يستخدم طلاء APC (الاتصال الجسدي المائل). سيؤدي خلط موصلات APC وUPC إلى الحصول على خسارة إرجاع تبلغ 20 ديسيبل وأخطاء متقطعة. الترميز اللوني موجود لسبب ما.

يمكن أن تحتوي وحدات PAM4 من شركات مصنعة مختلفة على تطبيقات FEC مختلفة بمهارة. وتترك المعايير مجالاً للتفسير. إذا كنت ترى عددًا كبيرًا من الأخطاء المصححة على أحد الروابط بشكل غير مفهوم، فحاول تبديل أحد الأطراف بوحدة البائع نفسها- قبل إلقاء اللوم على مصنع الألياف.

درجة الحرارة مهمة. يتم تصنيف هذه الوحدات لدرجات حرارة تصل إلى 70 درجة عادةً، لكن الأداء يتدهور قبل أن تصل إلى هذا السقف. أبقهم هادئين إذا كنت تريد سلوكًا ثابتًا.

 

الطريق إلى الأمام

 

لقد انتقلت الوحدات الضوئية 400G من البنية التحتية الرائدة إلى البنية التحتية السائدة. لم تعد قرارات التكنولوجيا-QSFP-DD مقابل OSFP، والتوازي مقابل WDM، والسيليكون مقابل البصريات المنفصلة-تحمل نفس المخاطر التي كانت عليها قبل ثلاث سنوات. توجد سلاسل توريد قوية. يتنافس العديد من البائعين المؤهلين على السعر والميزات. قامت هيئات المعايير بتسوية معظم حالات حافة التشغيل البيني.

بالنسبة لمهندسي الشبكات الذين يخططون لعمليات النشر اليوم، يكون إطار الاختيار واضحًا ومباشرًا: قم بمطابقة عامل الشكل مع إستراتيجية النظام الأساسي للتبديل لديك، وحدد نوع جهاز الإرسال والاستقبال (SR/DR/FR/LR) استنادًا إلى متطلبات الوصول الفعلية، ولا تتجاوز-المواصفات. تبلغ تكلفة 400G-LR4 أكثر بكثير من 400G-DR4 - إذا كانت أطول جولاتك تبلغ 300 متر، فإنك تحرق الميزانية دون أي فائدة تشغيلية.

ستجلب السنوات القليلة المقبلة تحسينات تدريجية: معالجات إشارة رقمية ذات طاقة أقل، وإنتاجية أفضل لضوئيات السيليكون، وربما بعض التوحيد القياسي حول البنى الخطية القابلة للتوصيل. لكن النظام الأساسي للتكنولوجيا الأساسية استقر.. 400G لم تعد في طور الظهور. إنها مجرد بنية تحتية الآن-من النوع الذي يمكنك التخطيط له بثقة.

وبصراحة؟ وبعد الفوضى التي سادت أوائل عصر 100G، فإن القدرة على التنبؤ تستحق التقدير.