مسار التكنولوجيا من 400G إلى 800G إلى 1.6T أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية

800G وحدة بصرية قابلة للتوصيل

في شبكة مركز البيانات، يعد الأداء وعرض النطاق الترددي لشريحة التبديل عاملين مهمين للغاية، ويعتمد الأداء وعرض النطاق الترددي لشريحة التبديل على دوائر SerDes الداخلية الخاصة بها، وهي نوع من الدوائر التي تحول البيانات التسلسلية إلى بيانات متوازية أو البيانات الموازية للبيانات التسلسلية وتتيح اتصال البيانات بسرعة عالية ومنخفضة الطاقة ومنخفضة الكمون. تتمتع أجهزة SerDes السائدة في السوق اليوم بسرعة 100 جيجابت في الثانية (100 مليار بت في الثانية)، مما يعني أن كل قناة يمكنها نقل 100 جيجابت في الثانية من البيانات. يشار إلى تقنية SerDes هذه باسم 100G SerDes. وفقًا لأحد التقارير، من المتوقع أن يتجاوز عرض النطاق الترددي لرقائق التبديل التي تستخدم 100G SerDes عرض النطاق الترددي لسوق Ethernet بالكامل في عام 2022 بحلول عام 2023، ليصل إلى 13.8 زيتا بايت (13.8 جيجا بايت سنويًا).

تعد 800G Fiber و 800G Ethernet من التقنيات الناشئة حيث تستمر الحاجة إلى نقل البيانات عالي السرعة في شبكات مراكز البيانات في النمو. 800G Fiber عبارة عن جهاز بصري يمكنه نقل 800 جيجابت في الثانية من البيانات عبر الألياف الضوئية. يمكن تنفيذ 800G Fiber باستخدام تكوينات SerDes المختلفة، مثل ثنائي 400G أو ثمانية 100G. تتمتع ألياف 800G بميزة تحسين أداء الشبكة وكفاءتها، ولكن عيبها هو ارتفاع استهلاك الطاقة والتكلفة. حاليا، 800G Fiber في مراحله الأولى وهو كذلك offتم تقديمه من قبل بعض الموردين الرائدين ويستخدم بشكل أساسي لربط مراكز البيانات ذات الحجم الكبير.

800G Ethernet هو معيار شبكة يحدد كيفية نقل 800 جيجابت في الثانية من البيانات عبر Ethernet. تم الانتهاء من مواصفات 800G Ethernet بواسطة Ethernet Technology Alliance في أبريل 2020. تتضمن مواصفات 800G Ethernet مجموعة متنوعة من معلمات واجهة الطبقة المادية (PHY) وطبقة التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC) لاستيعاب سيناريوهات التطبيقات المختلفة ومتطلبات المسافة. تتمثل ميزة 800G Ethernet في أنها يمكن أن توفر سعة ومرونة أعلى للشبكة، ولكن العيب هو أنها تتطلب تقنية أكثر تعقيدًا وأعمال توحيد. حاليًا، لا تزال شبكة 800G Ethernet في مرحلة التطوير، ومن المتوقع أن تبدأ المنتجات التجارية في الظهور في عام 2023. وستكون بصريات 800G جاهزة قبل 800G Ethernet. أدى النمو السريع للحوسبة السحابية إلى خلق طلب على بصريات 800 جيجا، خاصة لتطبيقات الذكاء الاصطناعي/التعلم الآلي التي تعتمد على بصريات عالية الأداء ومنخفضة التكلفة. يمكن أن توفر بصريات 800G عرض نطاق ترددي أعلى وكفاءة طيفية، وتدعم تنسيقات وخوارزميات تعديل أكثر تعقيدًا، وتتكيف مع بنيات وسيناريوهات شبكة مراكز البيانات المختلفة. تتيح بصريات 800G أيضًا عمليات نشر هجينة مع بصريات 400G لزيادة مرونة الشبكة وتوافقها. يمكن أيضًا نشر بصريات 800G بشكل هجين مع بصريات 400G لزيادة مرونة الشبكة وتوافقها.

لماذا تختار بصريات 800G؟

1. خفض التكلفة: يمكن للبصريات 800G توفير التكاليف على المستوى البصري ومستوى النظام، مثل تقليل استخدام الألياف الضوئية، وخفض عدد الوحدات الضوئية، وتحسين تكامل وموثوقية النظام. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للأجهزة البصرية 800G أيضًا الاستفادة من تكنولوجيا ومعدات 100G و400G الحالية لتقليل تكلفة البحث والتطوير والإنتاج.

2. انخفاض استهلاك الطاقة: يمكن للأجهزة الضوئية 800G تحقيق توفير الطاقة على المستوى البصري ومستوى النظام، مثل استخدام تنسيقات تعديل أكثر كفاءة، وتحسين تصميم الدوائر، وتقليل كثافة الطاقة. وفقًا لدراسة، فإن استهلاك الطاقة للوحدات الضوئية 800 جيجا أقل بحوالي 30% من استهلاكها وحدات بصرية 400G.

3. كثافة أعلى: يمكن للبصريات 800G زيادة كثافة نقل الشبكة لتلبية الطلب المرتفع على عرض النطاق الترددي في سيناريوهات مثل مراكز البيانات والحوسبة السحابية. على سبيل المثال، يمكن للوحدات الضوئية 800 جيجا بايت تحقيق معدل نقل يبلغ 800 جيجابت في الثانية لكل طول موجي، وهو ما يعادل ثمانية 100 جيجابت في الثانية أو اثنتين بسرعة 400 جيجابت في الثانية. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحسين معدل استخدام شرائح التبديل ومواكبة خريطة طريق شرائح التبديل.

تطبيقات الاختراق 800G

1. تتيح تقنية الاختراق 800G مجموعات فعالة من حالات الاستخدام المتعددة، وتدعم التجميع والخلط، وتحسن تحمل الأخطاء ومرونة الشبكة مع زيادة عدد المنافذ وعرض النطاق الترددي للمحول.

2. تتيح تقنية الاختراق 800G إلى Dual 400G-DR4/FR4/LR4/ER4 التوصيل البيني بين وحدتين ضوئيتين 400G، مما يغطي مسافات وسيناريوهات نقل مختلفة ويقلل التكلفة والتعقيد من خلال استخدام LC المزدوج أو Mini-LC المزدوج أو MPO المزدوج، والتي تكون موصلات الألياف المشتركة.

3 800G DR8 يمكن لتقنية الاختراق تقسيم الوحدة الضوئية 800 جيجا إلى وحدات بصرية ثماني 100 جيجا DR، باستخدام SN/MDC الثماني، وهو نوع جديد من الموصلات فائقة الصغر، لتحقيق كابلات ألياف ضوئية عالية الكثافة لتلبية الطلب العالي على حركة المرور لمراكز البيانات.

200G لامدا للبصريات

200G Lambda هي تقنية نقل بصري ناشئة يمكنها تحقيق معدل بيانات يبلغ 200 جيجابت في الثانية لكل طول موجي على ألياف واحدة، والتي تتمتع بالمزايا التالية مقارنة بتقنية 100G التقليدية ذات الطول الموجي المتعدد:

1. استهلاك أقل للطاقة لكل بت: توفر تقنية Lambda 200G ما بين 20% إلى 30% من استهلاك الطاقة لأنها تتطلب ليزرًا واحدًا وجهاز استقبال بصريًا واحدًا فقط، بدلاً من أربعة أجهزة ليزر وأربعة أجهزة استقبال بصرية لتقنية 100G متعددة الأطوال الموجية. بالإضافة إلى ذلك، تعمل تقنية 200G Lambda على تقليل استهلاك الطاقة عن طريق تقليل تعقيد الدوائر وتكاليف معالجة الإشارات.

2. انخفاض التكلفة لكل بت: يمكن لتقنية 200G Lambda تقليل التكلفة لكل بت بنسبة 50% لأنها تقلل عدد وتكلفة أجهزة الليزر ونهايات الألياف، بالإضافة إلى عدد وتكلفة الوحدات الضوئية ووصلات الألياف. كما يمكن لتقنية 200G Lambda الاستفادة من تكنولوجيا ومعدات 100G الحالية، مما يقلل من تكلفة البحث والتطوير والإنتاج.

3. الخيار الأفضل لـ 200G SerDes في المستقبل: SerDes عبارة عن دوائر تقوم بتحويل البيانات التسلسلية إلى بيانات متوازية، أو البيانات المتوازية إلى بيانات تسلسلية، وتقوم بإجراء اتصال بيانات عالي السرعة بين شريحة التبديل والوحدة الضوئية. تتطلب تقنية 200G Lambda قناة 200G SerDes واحدة فقط لنقل البيانات بسرعة 200 جيجابت في الثانية، في حين تتطلب تقنية 100G متعددة الأطوال الموجية أربع قنوات 100G SerDes لتحقيق نفس نقل البيانات.

الوضع الحالي لـ 200G لامدا

1. تم تحديد الجدوى الفنية لمجموعة متنوعة من التقنيات البصرية مثل EML وSiPh.

2. الحاجة إلى الانتهاء من FEC الجديدة والمواصفات البصرية لمواصفات 200G Lambda.

الحاجة إلى مواصفات 200G Lambda متعددة البائعين للسماح بالتنفيذ المستمر لعلب التروس 200G Lambda. سيبدأ اعتماد 200G Lambda بكميات كبيرة في عام 2024.

وحدة إرسال واستقبال بصرية قابلة للتوصيل 1.6T

خارطة طريق لتكنولوجيا الوحدة الضوئية القابلة للتوصيل

1.6T-OSFP (قنوات 8x200 جيجا) عبارة عن وحدة بصرية عالية السرعة توفر ثماني قنوات 200 جيجا من الإشارات الضوئية على واجهة OSFP واحدة لتحقيق عرض نطاق إجمالي يبلغ 1.6 تيرابايت/ثانية. تم تصميم الوحدة لاستخدامها في مجموعة واسعة من التطبيقات، كما هو الحال في مجال الألياف الضوئية. تستخدم هذه الوحدة الضوئية تقنية تعديل PAM4، والتي تستخدم 50 جيجا من الإشارات الكهربائية لكل قناة لتشغيل 100 جيجا من الإشارات الضوئية. لضمان الأداء الكهربائي عند 200 جيجا/قناة، قامت مجموعة عمل OSFP MSA 200G بضبط الأبعاد والمواصفات الكهربائية لواجهة OSFP في أكتوبر 2020، مما يجعل الوحدة الضوئية 1.6T-OSFP متوافقة تمامًا مع الوحدة الضوئية 800G OSFP. يوفر هذا التوافق المزيد من المرونة وقابلية التوسع لشبكات مراكز البيانات. فيما يتعلق برقائق التبديل 200G SerDes، يمكن توصيل الوحدات الضوئية 1.6T OSFP مباشرة برقائق التبديل باستخدام تقنية 200G SerDes دون الحاجة إلى محولات أو محولات إضافية. وهذا يقلل من تكلفة الشبكة واستهلاك الطاقة ويحسن كفاءة الشبكة. من المتوقع أن تصبح شرائح التبديل 200G SerDes هي الخيار السائد لشبكات مراكز البيانات بحلول عام 2025.

OSFP

ثماني ذو شكل صغير قابل للتوصيل، XD = كثافة إضافية

مع استمرار نمو الطلب على نقل البيانات عالي السرعة في شبكات مراكز البيانات، كان هناك اهتمام قوي بالوحدات الضوئية 1.6T. بالاشتراك مع شريحة تبديل 51.2T، يمكن للوحدة الضوئية 1.6T تحقيق كثافة تبديل 51.2T في بطاقة خط 1U أو هيكل ثابت، مما يقلل بشكل كبير من التكاليف على مستوى النظام. تستخدم شريحة التبديل هذه تقنية 100G SerDes، مما يعني أن كل قناة يمكنها حمل 100 جيجابت في الثانية من البيانات. أصبحت تقنية SerDes خيارًا رئيسيًا في السوق ومن المتوقع أن يستخدم المزيد من شرائح التبديل تقنية 100G SerDes بين عامي 2023 و2027.

OSFP-XD (الكثافة العالية جدًا) هو نوع جديد من الوحدات الضوئية يتميز بالميزات التالية:

1. إنها تدعم 16 قناة كهربائية، كل واحدة منها يمكن أن تصل إلى 100G أو 200G، مما يؤدي إلى معدل بيانات إجمالي يبلغ 1.6T أو 3.2T.

2. إنها تتمتع بإدارة فعالة للطاقة، وتتطلب فقط 33W من الطاقة لدعم مجموعة متنوعة من الحلول البصرية، بما في ذلك الألياف أحادية الوضع، والألياف متعددة الأوضاع، وكابلات الألياف الضوئية النشطة.

3. إنه يتميز بتصميم حزمة عالي الكثافة مع نفس عامل الشكل مثل OSFP (عامل شكل صغير ذو ثماني قنوات قابل للتوصيل) ولكن مع موصلات وتجميعات كابلات عالية الكثافة. وهذا يجعله متوافقًا مع 800G-OSFPs المكدسة، مما يبسط بشكل كبير قبول السوق ونشره.

4. يتميز بتوافق مرن حيث يمكن أن يتواجد مع OSFP المكدس (ثنائي القناة ذو الشكل الصغير القابل للتوصيل) على لوحة أم واحدة، مما يوفر المزيد من خيارات التكوين وإمكانيات التوسع.

• الخلافات of 1.6T الوحدة الضوئية OSFP

مزايا QSFP-XD

1. إنه الحل البصري القابل للتوصيل الأكثر كثافة في السوق اليوم، ويدعم 16 قناة كهربائية، كل واحدة منها يمكن أن تصل إلى 100G أو 200G، مما يؤدي إلى معدل بيانات إجمالي يبلغ 1.6T أو 3.2T. له نفس عامل الشكل مثل OSFP (Octal Small Form Factor Pluggable) ولكنه يستخدم موصلًا عالي الكثافة ومجموعة الكابلات. وهذا يجعله متوافقًا مع 800G OSFP المكدس، مما يبسط بشكل كبير قبول السوق ونشره. إنه يلبي متطلبات نمو كثافة الرقائق المستقبلية ويحسن إنتاجية النظام وكفاءته.

2. إنه يدعم مجموعة كاملة من التقنيات البصرية، بما في ذلك 100G Lamdba، 200G Lambda، وCoherent، والتي يمكن تكييفها مع مسافات وسيناريوهات الإرسال المختلفة. يمكنه دعم مسافات نقل تصل إلى 2 كيلومتر في نطاق درجة حرارة 0-70 درجة مئوية مع استهلاك منخفض للطاقة أقل من 23 وات. إنه يتيح نقل البيانات بسرعة عالية وكفاءة وموثوقية عالية لتلبية احتياجات مراكز البيانات والحوسبة السحابية والذكاء الاصطناعي وغيرها من المجالات.

3. إنه يحتفظ بجميع مزايا الوحدة الضوئية القابلة للتوصيل، بما في ذلك قابلية التكوين، وإمكانية الخدمة، والمرونة التقنية، والمزيد. كما أنها تحتفظ بنموذج أعمال سلسلة التوريد المعروف، مما يسمح للعملاء باختيار المنتجات والخدمات الأكثر ملاءمة من بائعين متعددين.

كيفية تقليل استهلاك الطاقة لكل بت

تحسين تكنولوجيا العمليات (TSMC)

تحقق عملية 3NM ما يقرب من نصف تقليل الطاقة عند IsoSpeed ​​مقارنة بعملية 7NM.

تطور قوة البصريات القابلة للتوصيل

على الرغم من ارتفاع استهلاك الطاقة للوحدات الفردية من 400G إلى 1.6T، إلا أن متوسط ​​استهلاك الطاقة لكل بت يتناقص بشكل ملحوظ.

طرق لزيادة تقليل استهلاك الطاقة

1. الاستفادة من تقنيات DSP 3nm و2nm: يمكن لتقنيات المنطق الرقمي المتقدمة هذه أن تقلل بشكل كبير من حجم ومقاومة الترانزستورات، وبالتالي تقليل خسائر التبديل واستهلاك الطاقة الثابتة للدائرة.

2. تصميم واجهات SerDes منخفضة الطاقة: SerDes عبارة عن واجهات تعمل على تحويل البيانات التسلسلية إلى بيانات متوازية وتستخدم بشكل شائع للاتصالات عالية السرعة. يمكننا تقليل استهلاك الطاقة لـ SerDes من خلال تحسين التشفير والتعديل والتصفية مع ضمان سلامة الإشارة وموثوقيتها.

3. يستخدم المعدِّلات الضوئية منخفضة الطاقة: المعدِّلات الضوئية هي أجهزة تستخدم الضوئيات للتحكم في الإشارات الضوئية وتستخدم بشكل شائع في اتصالات الألياف الضوئية. يمكننا تقليل جهد المحرك وفقدان إدخال المعدِّلات الضوئية عن طريق تحسين الدليل الموجي البصري والأقطاب الكهربائية والمواد لتقليل استهلاك الطاقة.

لا يزال هناك مجال كبير للابتكار في المستقبل، بما في ذلك تحقيق إرسال أحادي الطول الموجي 200 جيجا، وتطوير أشعة ليزر ذات أداء أفضل، وتقليل الخسائر في عملية الاقتران والتعديل. الهدف للسنوات الخمس القادمة هو تقليل استهلاك الطاقة إلى 5 إلى 6 بيكوجول لكل بت، الأمر الذي سيتطلب استخدام معالجات الإشارات الرقمية على عمليات 2 نانومتر، وتحسين كفاءة الليزر والمغيرات، وتقليل خسائر الاقتران بين الليزر والجهاز. الدليل الموجي.

تستفيد جميع البصريات من انخفاض استهلاك الطاقة. تعتبر التحسينات في الطاقة الضوئية مستقلة إلى حد كبير عن عامل الشكل.

توفر الوحدات الضوئية القابلة للتوصيل مسارًا سلسًا للترقية إلى الأنظمة الأساسية الحالية كبيرة الحجم، مما يسمح للتطورات في مجال البصريات منخفضة الطاقة بالوصول إلى السوق بسرعة وبكميات كبيرة.

ملخص استهلاك الطاقة

1. يتناقص استهلاك الطاقة لكل بت للمحولات بشكل ملحوظ، بمعدل 2X تقريبًا لكل جيلين من العمليات.

2. يتناقص أيضًا استهلاك الطاقة لكل بت للوحدات الضوئية بشكل ملحوظ، بمعدل 2X تقريبًا لكل جيلين من العمليات.

3. تتزايد الطاقة لكل وحدة بصرية، مع زيادة السعة من 400G->800G->1.6T.

4. أهداف القوة ل وحدات 1.6T: 20-25 واط لبصريات العميل، 25-30 واط لبصريات DCI.

5. عامل الشكل الحراري القوي المطلوب لـ 20-30 وات: يوفر OSFP التغليف المناسب.

6. هناك حاجة إلى مزيد من خفض الطاقة: معالجات الإشارة الرقمية (DSPs) بقدرة 3/2 نانومتر، ووحدات Serdes ذات طاقة أقل، والمعدلات.

تحليل CPO وقابل للتوصيل

CPO (البصريات المجمعة) هي تقنية تدمج بشكل محكم جهاز الإرسال والاستقبال البصري أو المحرك البصري مع شريحة تبديل، والتي يمكن أن تزيد من سرعة وكثافة نقل البيانات وتقليل استهلاك الطاقة وزمن الوصول. حالياً، إدارة الموارد البشرية أظهرت التكنولوجيا بعض النتائج في مختبرات شركات مثل Facebook وMicrosoft، كما يتم دعمها والترويج لها من قبل المنظمات الصناعية مثل OIF (Optical Interconnect Forum). ومع ذلك، لا يزال CPO يواجه عددًا كبيرًا من التحديات، مثل كيفية زيادة قوة وكفاءة الليزر، وكيفية تقليل فقد وفشل الألياف والموصلات، وكيفية ضمان قابلية التصنيع والإصلاح والصيانة لوحدات CPO، بالإضافة إلى كيفية التحكم في التكلفة واستهلاك الطاقة، وما إلى ذلك.

VSR يحل محل XSR SERDES. أضاف بائعو الرقائق وضع VSR SERDES منخفض الطاقة إلى شرائح التبديل الخاصة بهم، مما يتيح لشريحة التبديل 51.2T تحقيق توفير في الطاقة بقدرة 180 وات مقارنةً بـ LR SERDES.

وفر VSR حوالي 180 واط لمفتاح 51.2T

VSR يسوي الملعب. في حين أن توفير الطاقة بقدرة 180 واط يعد خبرًا جيدًا، إلا أنه يمكن استخدام نفس واجهة VSR SERDES منخفضة الطاقة مع الوحدات الضوئية القابلة للتوصيل.

النتيجة: تتمتع وحدات CPO والوحدات البصرية القابلة للتوصيل بنفس قوة الارتباط الكهربائي.

CPO + ELS يزيد من القوة. يقدم مصدر الضوء الخارجي (ELS) لـ CPO خسائر اقتران بصري إضافية، مما يزيد من طاقة الليزر مقارنة بالوحدات الضوئية التقليدية القابلة للتوصيل، مما يجعل CPO+ELS طاقة أعلى من الوحدات الضوئية القابلة للتوصيل.

تحتوي الوحدات القابلة للتوصيل على موصل بصري واحد، بينما تحتوي وحدات CPO على أربعة موصلات بصرية، مما يؤدي إلى فقدان بصري إضافي كبير بسبب فقدان مقسم الموصل الإضافي واستقطابه.

خسائر الاقتران مقابل التوصيل

1. خسائر الموصل الإضافية: 1.2-1.6 ديسيبل

على الأرجح تحتاج إلى موصلات شعاع موسعة لـ ELS.

2. خسائر الفاصل والاستقطاب: 0.6-1.2 ديسيبل

من الصعب جدًا تقليل هذه العناصر لعدد كبير من الألياف.

6. إجمالي خسائر الاقتران الإضافية: 1.8-3 ديسيبل

يزيد من قوة الليزر بنسبة 50% إلى 100%.

هناك حاجة إلى مزيد من خفض الطاقة

1. يعمل محرك الأقراص المباشر على تقليل الطاقة عن طريق التخلص من معالج الإشارة الرقمية (DSP).

من الصعب جعل هذا معيارًا متعدد البائعين.

2. من الصعب جدًا تقليل طاقة الليزر باستخدام ELS

تؤدي خسائر الاقتران الإضافية إلى زيادة قوة الليزر.

3. تقنيات التعديل البديلة

تتمتع وحدات تعديل الضوئيات السيليكونية بخسارة عالية في الإدراج.

ملخص CPO

1. CPO غير مطلوب لمحولات 51.2T أو ​​102.4T

تم حل المشكلة باستخدام Pluggable Optics.

2. لا يوجد خطر على البصريات القابلة للتوصيل 800G و1600G

لا توجد مشكلات في التصميم أو الخدمة أو التصنيع.

3. لا يقوم CPO اليوم بتوفير الطاقة عبر التوصيل

الاتجاه المستقبلي الواعد لـ CPO هو القيادة المباشرة.