كيفية تخصيص الوحدات الضوئية في مراكز البيانات؟

اختتمت القمة التكنولوجية الحادية عشرة لإدارة منصة الشبكة بنجاح في Shenzhen في 11 يوليو 6. وركزت هذه القمة على المجالات الأربعة الرئيسية للبحث والتطوير في الأجهزة ، وتسريع الأجهزة ، ومنتجات الشبكة ، وعمليات الشبكة. لقد أظهر بشكل شامل التحسين المستمر لقدرات البحث والتطوير لقسم منصة الشبكة ونتائج الاستكشاف.

الوحدات والتطبيقات البصرية

هذه هي المرة الأولى التي تظهر فيها الوحدة البصرية في مؤتمر التكنولوجيا. استعرض المؤتمر عملية تطوير منتجات الوحدات الضوئية من الاستخدام التجاري إلى التخصيص. ركز على المستقبل ، واستوعب مسارات التكنولوجيا الحاسمة ، واستكشف نماذج تطوير جديدة في نفس الوقت.

الوحدة الضوئية هي نظام صغير له وظائف وهيكل كامل. يتم تحليل مدخلات الإشارة الكهربائية بواسطة شرائح مثل DSP ، ثم تدخل شريحة المحرك ، ثم تقوم بتشغيل الشريحة الضوئية من أجل التعديل. يدخل الضوء المعدل إلى النظام البصري المنفعل للاقتران ، وأخيراً يدخل الضوء المقترن إلى نظام الألياف الضوئية للإرسال.

الوحدات الضوئية ليست مقصورة على مراكز البيانات ولكنها تستخدم أولاً في شبكات الاتصالات السلكية واللاسلكية ، وخاصة شبكات النقل لمسافات طويلة. ومع ذلك ، مع تطور مراكز البيانات ، بما في ذلك زيادة عرض النطاق الترددي للمعدات ، دخلت الوحدات البصرية حيز الاستخدام في مراكز البيانات. نظرًا لأن سرعة تطوير مراكز البيانات أسرع بكثير من سرعة صناعة الاتصالات التقليدية ، فإن نمو الطلب على الوحدات الضوئية في مراكز البيانات قد تجاوز أيضًا مثيله في الأخيرة.

الشكل 1: تطبيقات الوحدات البصرية

من الاستخدام التجاري إلى الشراء

بالنسبة لمركز البيانات ، فإن شبكة 40G المبكرة هي نظام مغلق. على سبيل المثال ، ما يشتريه مركز البيانات هو نظام الشبكة الكامل للشركة المصنعة للمعدات التقليدية ، بما في ذلك البرامج ومعدات التحويل والوحدات النمطية البصرية. تكلفة الأنظمة التجارية عالية ، وليس من السهل تشغيلها وصيانتها في حالة وجود مشكلة. هذه أسباب مهمة لمراكز البيانات للتحول من الاستخدام التجاري إلى الشراء.

إلى جانب التطبيق عبر الإنترنت لخوادم 25G ، 25G SFP28، وستواجه الوحدات البصرية 100G QSFP28 حتماً تحديات في بدء الشراء. التحدي الأول هو التكيف بين الأجهزة. على الرغم من عدم وجود مشكلة في اختبار الوحدة الضوئية الفردية ، فقد واجه مركز البيانات العديد من مشكلات توافق المعدات في مرحلة الشراء.

وجد مركز البيانات أن الوحدات النمطية لمختلف الشركات المصنعة لها أداء مختلف على كل منفذ على أجهزة مختلفة ، كما يختلف الأداء على الأجهزة المختلفة. يجب وضع مخطط تكيف مثالي لتشكيل نظام اختبار معقد ، لضمان أن الوحدات المختلفة يمكنها التواصل بشكل جيد. غالبًا ما يكون من الضروري تحسين معلمات المنفذ واحد لواحد.

الشكل 2: مراقبة الجودة / التكلفة من البداية إلى النهاية

ولكن سيكون من المربح أن تدار الوحدات الضوئية المشتراة بدقة بالغة. تعطل عدد كبير من الوحدات البصرية 40G QSFP في مركز البيانات بين عامي 2015 و 2017. ويرجع ذلك أساسًا إلى أن مكامل النظام استعان بمصادر خارجية لجميع الوحدات الضوئية ، والذي كان لديه فقط فهم ضحل للوحدات البصرية. إلى جانب ذلك ، يعتمد المكامل على الشركة المصنعة للوحدة لاعتراض مشكلة جودة الوحدة الضوئية.

إذا قمت بدمج سيناريوهات التطبيق الخاصة بك ، وإدارة الحل التقني للوحدة الشاملة ، والتحكم في عمليته وتحسينها ، وتنفيذ حل إدارة جودة النظام بشكل صحيح ، يمكنك تجنب المشكلات المذكورة أعلاه تمامًا. من خلال التحسين والتحكم المستمر في وحدة الإضاءة الذاتية لمدة 2 إلى 3 سنوات ، لم تزداد التكلفة فقط عامًا بعد عام في مركز البيانات ، ولكن أيضًا تم تحسين الجودة بشكل منهجي ، كما تم تحسين معدل فشل بيئة الإنتاج تم تخفيضه بشكل مستمر.

من الشراء إلى التخصيص

ميزة أخرى لشراء الوحدات الضوئية بنفسك هي أنه يمكن أن يلبي احتياجات التخصيص المتنوعة الناتجة عن التطوير المتنوع لشبكات مراكز البيانات. على سبيل المثال ، تتطلب سيناريوهات مراقبة الطيف البالغ 10 كيلومترات ربط وحدات 10 كيلومترات فيما بينها. نظرًا لارتفاع سعر وحدات الإرسال والاستقبال المتكاملة ، تستخدم مراكز البيانات النظام الأساسي للوحدات النمطية الحالي لإجراء بعض التحسينات الطفيفة لتحقيق حلول منخفضة التكلفة.

مثال آخر هو متطلبات DCI لتقسيم الضوء بمقدار 2 كم. المشروع بأكمله مربح للغاية ، لكن الحل التقني يمثل تحديًا كبيرًا. من الضروري الجمع بين بيئة الشبكة لمركز البيانات وإجراء تحسين متعمق لتصميم الوحدات ، والذي يتضمن سلسلة من الترقيات في الجزء البصري من الوحدة ومستوى الشريحة.

الشكل 3: تلبية مجموعة متنوعة من الاحتياجات المخصصة

مع إطلاق خوادم 100G على دفعات ، تبدأ شبكة 200G تطبيقات الإنتاج الضخم. تمت ترقية الوحدات الضوئية المستخدمة في الشبكة بالكامل من 100G QSFP28 إلى 200G QSFP56 أو 200 جرام QSFP-DD. سلسلة الصناعة بأكملها تشبه "الرجبي" ، مع نهايات كبيرة متوسطة وصغيرة. هناك أكثر من 200 شركة في الصناعة بأكملها تدعي أنها قادرة على إنتاج وحدات بصرية ، ولكن قد لا يكون هناك أكثر من 10 شركات تصنيع شرائح في الجزء العلوي من سلسلة الصناعة ، خاصة تلك التي لديها تقنيات من الدرجة الأولى مثل DSP.

عدد أطراف تطبيق المصب أو المستخدمين النهائيين أقل بكثير من عدد الشركات المصنعة للوحدات الضوئية ، مما يُظهر بنية صناعية فوضوية. وهذا يعني أيضًا بعض المشكلات الأخرى: طلب غير واضح وغير محدد ، وقيمة غير واضحة للرقاقة. الهدف الأول للوحدات الضوئية هو كسر هذه البيئة ، أي أن مراكز البيانات ومصنعي الرقائق يناقشون بشكل مباشر متطلبات المواصفات والتكلفة (الاستهلاك) ، لتحقيق القدرة التنافسية الحقيقية من حيث التكلفة.

أطلق مركز البيانات أيضًا وضع JDM متعدد الأطراف ، أي أن مركز البيانات يطرح مباشرة طلب المواصفات ، وبعض الوظائف المخصصة إلى الشركة المصنعة للرقاقة والشركة المصنعة تعمل على تحسين أو إعادة تطوير وفقًا لاحتياجات مركز البيانات. تم تصميم مخطط الوحدة بشكل مشترك من قبل مركز البيانات ومصنعي الوحدات ، والأخيرة مسؤولة عن الإنتاج.

الشكل 4: "كسر البيئة"

الدخول في مرحلة البحث الذاتي ، فإن أهم قضية يجب مراعاتها لمراكز البيانات هي كيفية تحقيق أقصى قيمة في تصميم واختيار الحلول. يختلف "الضوء" و "الكهرباء" اختلافًا جوهريًا من حيث خصائص النقل. للضوء بعض الخصائص الخاصة ، مثل خصائص القدرة الضوئية عند درجات حرارة مختلفة ، وخصائص النطاق الترددي في التيارات المختلفة ، وخصائص الطول الموجي في ظل ظروف مختلفة. في الوضع المطوّر ذاتيًا ، يمكن لمركز البيانات الترويج باستمرار لتحسين الحل بالاقتران مع مواصفات النظام ، وتمكين الشريحة الإلكترونية من أن تكون أكثر ملاءمة للضوء ، لممارسة مزايا تقنية أكبر.

غالبًا ما يُنظر إلى الوحدات البصرية على أنها منتجات قياسية نظرًا لتعريف شكل الغلاف ومواصفات واجهة الإدخال والإخراج. ومع ذلك ، فإن التغليف البصري الداخلي خاص ، بعوامل شكل مختلفة. كل مصنع لديه تصميم مختلف ومعدات تصنيع مخصصة.

إذا أراد مركز البيانات تصميم وحدة مطورة ذاتيًا وتصنيعها بسرعة ، فسيواجه مركز البيانات مشكلة اختيار النظام الأساسي. في وضع الوحدة البصرية ذاتية التطوير ، يتم الاستفادة الكاملة من الناضج 100G QSFP28 تعد منصة تغليف الوحدات الضوئية ، والقيام ببعض الترقيات المستهدفة في نفس الوقت ، أفضل حل لتلبية متطلبات استقرار الجودة ، وكفاءة التطوير ، والتكلفة المنخفضة.

استكشاف المرحلة التالية

تتكرر شبكة مركز البيانات كل 2 إلى 3 سنوات. انطلاقا من إشارات الطريق لشريحة التبديل ، ستأتي شبكة 112G الشاملة في عام 2023. في الآونة الأخيرة ، ناقش الناس تطوير الجيل التالي من الشبكة القائمة على 112 جيجابت في الثانية ، بما في ذلك بطاقات الشبكة ومعدات التبديل.

على مستوى الوحدة الضوئية ، أجرى مركز البيانات أيضًا بعض الأبحاث الفنية في العامين الماضيين. من 100G إلى 400G و 800G ، سيستمر استهلاك الطاقة للوحدة في الزيادة. في الوقت نفسه ، سيواجه BER (معدل خطأ البت) أيضًا تدهورًا أسيًا. يتطلب حل هذه المشكلات زيادة أعمال التصميم والتحسين على مستوى الرقاقة ، وحتى المشاركة في تصميم الرقاقة. سيواجه التغليف البصري أيضًا سلسلة من التحديات ، ويجب استكشاف العديد من الحلول الجديدة لتحسين التكامل البصري. في مخطط الإرسال ، يحتاج مركز البيانات أيضًا إلى مواصلة الاستكشاف لتلبية متطلبات سيناريو الشبكة لمركز البيانات.

الشكل 5: تطور المعدل

تعد مسافة نقل الإشارة سمة أساسية لأجهزة التوصيل البيني ، وهي أيضًا قيد رئيسي يجب مناقشته في كل مرة تناقش فيها مراكز البيانات الحلول التقنية المستقبلية واتجاهات التطوير. مع التحسين المستمر للسرعة الأساسية ، لن تتغير المسافة الفعلية لغرفة الكمبيوتر أو IDC لمركز البيانات كثيرًا.

لذلك ، عند اختيار وحدة أو حل تقني لتوصيل جهازين ، يجب أن يحدث التكرار مع تكرار تقنية الإرسال. هناك ثلاث واجهات في تطور "المسافة". من جانب الوصول لمسافات قصيرة ، يدخل "بصري" ويخرج "نحاسي". من الاتصال الداخلي لغرفة IDC ، يكون الوضع الفردي بدلاً من الوضع المتعدد. من منظور اتصال DCI ، إنه الغرق المستمر للتكنولوجيا المتماسكة.

في الجوانب المذكورة أعلاه ، قام مركز البيانات أيضًا بعمل بعض التخطيطات المتقدمة ، بما في ذلك الوصول إلى بطاقة الشبكة 112 جيجابت في الثانية ، ويتم نشر مركز البيانات استنادًا إلى تقنية TAC 112 جيجابت في الثانية وتطوير تعاون الرقاقة المقابل. فيما يتعلق بالاتصال داخل غرفة IDC ، قد لا تتمكن وحدة MM SR من تلبية الاتصال داخل غرفة مركز البيانات (نطاق البناء) ، وخاصة الاتصال عبر الغرف. هنا ، يستكشف مركز البيانات أيضًا وضعًا واحدًا بدلاً من الحلول متعددة الأوضاع ، خاصةً تم إجراء بعض محاولات التطوير المشتركة أيضًا في حل الشريحة المتكاملة أحادي الوضع. اختيار واستبدال IMDD ومتماسك ، من المتوقع أن يصل مركز البيانات في 1.6T أو الطول الموجي الفردي 400 جرام QSFP-DD الجيل ، لذلك سيقوم مركز البيانات المستقبلي ببعض الأعمال في مجال Coherent-lite ، وخاصة خوارزمية oDSP.

بدءا من رقاقة

يتمثل الاختلاف الرئيسي بين الوحدة البصرية والأجهزة / المعدات الكهربائية التقليدية في أنها لا تتمتع فقط بخصائص "كهربائية" ، ولكن أيضًا خصائص "بصرية" ، لذلك يجب أن تواجه كلاً من قانون مور للإلكترونيات الدقيقة وقانون مور للإلكترونيات الضوئية. مع اتجاه دخول الضوء وتراجع النحاس ، يعمل العالم باستمرار على دمج الموارد الإلكترونية الضوئية الأساسية. يتوسع المصنعون بقيادة عمالقة في مجال الرقائق الإلكترونية التقليدية في مجال الإلكترونيات الضوئية للتحضير للاتجاه المستقبلي للتكامل الإلكتروني البصري. وبالمثل ، تحتاج مراكز البيانات أيضًا إلى القيام بشيء ما لمواجهة تحدٍ تلو الآخر. قد يكون تطوير 112 جيجابت في الثانية عملية طويلة. يعد نظام 400G المستند إلى 112G Serdes أفضل فرصة لنشر مراكز البيانات الآن واستكشافها في المستقبل.