لماذا تحتاج مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي إلى وحدات بصرية 800 جيجا؟

في عالم اليوم سريع الخطى، وصل الطلب على نقل البيانات عالي السرعة إلى مستويات غير مسبوقة. لقد جعلت تطبيقات الذكاء الاصطناعي والنماذج الكبيرة من قوة الحوسبة بنية تحتية رئيسية لصناعة الذكاء الاصطناعي. ومع تزايد الحاجة إلى اتصالات أسرع، أصبحت الوحدات الضوئية عالية السرعة عنصرًا أساسيًا في خوادم الذكاء الاصطناعي. يستكشف هذا المقال تطور الوحدات الضوئية 800G وإمكاناتها الهائلة في عصر الذكاء الاصطناعي.

تطور الوحدات الضوئية 800G

تقوم الوحدات الضوئية بمهمة تحويل الإشارات الضوئية والكهربائية في توصيلات الشبكة، وهي المسؤولة عن تحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية عند طرف الإرسال، ومن ثم تحويل الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية عند طرف الاستقبال بعد إرسالها عبر الألياف الضوئية. مع تطوير وتكامل الأجهزة الإلكترونية الضوئية، تم تحسين أدائها وعرض النطاق الترددي للإرسال بشكل مستمر، وتتطلب الوحدات البصرية معدلات نقل أعلى وأحجام أصغر للتكيف مع سيناريوهات الاستخدام المختلفة. لقد تطورت أيضًا طرق التغليف، ويعني التغليف الأصغر واستهلاك الطاقة أن الوحدات الضوئية تتمتع بكثافة منافذ أعلى على المحولات، ويمكن لنفس الطاقة تشغيل المزيد من الوحدات الضوئية.

زيادة الطلب على عرض النطاق الترددي

كان لنمو الطلب على عرض النطاق الترددي تأثير كبير على الوحدات الضوئية عالية السرعة. مع ظهور تقنيات جديدة والطلب على نقل البيانات على نطاق واسع، لم تعد الوحدات الضوئية التقليدية 100 جيجا و200 جيجا و400 جيجا قادرة على تلبية طلب السوق بشكل كامل. لتلبية الطلب المتزايد على عرض النطاق الترددي، أصبحت الوحدات الضوئية 800 جيجا اتجاهًا.

نمو تكنولوجيا LPO

في عصر الوحدة الضوئية 800G، تبرز تقنية البصريات القابلة للتوصيل ذات المحرك الخطي (LPO). يستخدم LPO المكونات التناظرية الخطية في رابط البيانات، دون الحاجة إلى تصميم CDR أو DSP معقد. بالمقارنة مع حلول DSP، يقلل LPO بشكل كبير من استهلاك الطاقة وزمن الوصول وهو مناسب جدًا لمتطلبات اتصال البيانات للمسافات القصيرة والنطاق الترددي العالي والطاقة المنخفضة وزمن الوصول المنخفض لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي. مع قيام موفري الخدمات السحابية بتوسيع موارد الحوسبة الخاصة بهم، من المتوقع أن تحتل حلول LPO، بما في ذلك 800G LPO، حصة سوقية مهمة.

تعبئة الوحدة الضوئية 800 جرام

مع التقدم التكنولوجي المستمر، شهد شكل التعبئة والتغليف للوحدات البصرية تغييرات كبيرة. بدءًا من عبوات GBIC المبكرة وحتى عبوات SFP الأصغر وحتى الحالية 800 جرام QSFP-DD والتغليف OSFP. لا يعكس اتجاه التطوير هذا التحسين المستمر للوحدات الضوئية من حيث المعدل فحسب، بل يُظهر أيضًا تقدمها نحو التصغير والتوصيل السريع. تتنوع سيناريوهات تطبيق الوحدات الضوئية 800G بشكل متزايد، وتغطي مجالات متعددة مثل Ethernet وCWDM/DWDM والموصلات وقنوات الألياف والوصول السلكي/اللاسلكي.

مقارنة بين أحجام QSFP-DD وOSFP

مواصفات 800G QSFP-DD

وحدة صغيرة عالية السرعة قابلة للتوصيل بأربع قنوات مزدوجة الكثافة. QSFP-DD هو التغليف المفضل للوحدات الضوئية 800 جيجا، مما يمكّن مراكز البيانات من النمو بكفاءة وتوسيع السعة السحابية حسب الحاجة. تستخدم وحدات QSFP-DD واجهة كهربائية ذات 8 قنوات، بمعدل يصل إلى 25 جيجابت/ثانية (تعديل NRZ) أو 50 جيجابت/ثانية (تعديل PAM4) لكل قناة، مما يوفر حلاً إجماليًا يصل إلى 200 جيجابت/ثانية أو 400 جيجابت/ثانية .

مزايا 800G QSFP-DD

إنه ذو توافق تنازلي ومتوافق مع حزم QSFP+/QSFP28/QSFP56 QSFP.

إنها تعتمد موصل قفص متكامل مكدس 2×1، والذي يمكن أن يدعم أنظمة موصل القفص ذات الارتفاع الواحد والارتفاع المزدوج.

يمكنه تحقيق قدرة حرارية لا تقل عن 12 واط لكل وحدة من خلال موصلات SMT وأقفاص 1xN. يمكن أن تؤدي السعة الحرارية الأعلى إلى تقليل متطلبات وظيفة التبريد للوحدات الضوئية، وبالتالي تقليل بعض التكاليف غير الضرورية.

في تصميم QSFP-DD، أخذت مجموعة عمل MSA في الاعتبار بشكل كامل مرونة استخدام المستخدم، واعتمدت تصميم ASIC، ودعمت معدلات واجهة متعددة، وكانت متوافقة مع الانخفاض (متوافقة مع QSFP+/QSFP28)، وبالتالي تقليل تكاليف الموانئ وتكاليف نشر المعدات.

مواصفات شكل 800G OSFP

OSFP هو نوع جديد من الوحدات الضوئية، أصغر بكثير من CFP8، ولكنه أكبر قليلاً من QSFP-DD، مع 8 قنوات كهربائية عالية السرعة، ولا يزال يدعم 32 منفذ OSFP على كل لوحة أمامية مكونة من وحدة واحدة، مع مشتتات حرارية مدمجة لتحسين الحرارة بشكل كبير أداء التبديد.

مزايا 800G OSFP

تم تصميم وحدة OSFP لـ 8 قنوات، مما يدعم بشكل مباشر إجمالي إنتاجية يصل إلى 800 جيجا، وبالتالي تحقيق كثافة عرض نطاق أعلى.

نظرًا لأن حزمة OSFP تدعم المزيد من القنوات ومعدلات نقل بيانات أعلى، يمكنها توفير أداء أعلى ومسافة نقل أطول.

تتميز وحدة OSFP بتصميم ممتاز لتبديد الحرارة ويمكنها التعامل مع استهلاك أعلى للطاقة.

تم تصميم OSFP لدعم معدلات أعلى في المستقبل. نظرًا للحجم الأكبر لوحدة OSFP، فمن الممكن دعم استهلاك أعلى للطاقة، وبالتالي دعم معدلات أعلى، مثل 1.6T أو أعلى.

مقارنة حجم الوحدة الضوئية 800G

عادةً ما يكون QSFP-DD هو الخيار المفضل في تطبيقات الاتصالات، بينما يعد OSFP أكثر ملاءمة لبيئات مراكز البيانات. الاختلافات الرئيسية بينهما هي:

الحجم: OSFP أكبر قليلاً

استهلاك الطاقة: استهلاك الطاقة الخاص بـ OSFP أعلى قليلاً من استهلاك QSFP-DD.

التوافق: QSFP-DD متوافق تمامًا مع QSFP28 وQSFP+، بينما OSFP غير متوافق.

أنواع الوحدات الضوئية 800G

800G=8x100G=4x200G، لذلك وفقًا لمعدل القناة الواحدة، يمكن تقسيمها إلى نوعين، وهما قناة واحدة 100G و200G. تظهر البنى المقابلة في الشكل أدناه. يمكن تنفيذ الوحدة الضوئية أحادية القناة 100 جيجا بسرعة، في حين أن 200 جيجا لديها متطلبات أعلى للأجهزة البصرية. نظرًا لأن الحد الأقصى للمعدل الذي تدعمه الواجهة الكهربائية الحالية هو 112 جيجابت في الثانية PAM4، يلزم وجود علبة تروس للقناة الواحدة 200 جيجا.

بالنسبة للحالة متعددة الأوضاع، يوجد معياران رئيسيان للوحدات الضوئية 800G، المقابلة لمسافة نقل أقل من 100 متر.

800 جرام SR8

وهي تعتمد حل VCSEL، بطول موجة يبلغ 850 نانومتر، ومعدل قناة واحدة يبلغ 100 جيجابت في الثانية PAM4، وتتطلب 16 ليفًا. ويمكن اعتبار هذا بمثابة نسخة مطورة من 400G SR4، مع مضاعفة عدد القنوات. واجهته الضوئية هي MPO-16 أو صفين من MPO-2، كما هو موضح في الشكل أدناه. تُستخدم الوحدات الضوئية 12G SR800 بشكل عام لشبكة 8G Ethernet أو روابط مركز البيانات أو التوصيل البيني 800G-800G.

800 جرام SR4

يعتمد هذا الحل الطول الموجي 850 نانومتر/910 نانومتر، ونقل ثنائي الاتجاه، ويستخدم DeMux في الوحدة لفصل الطولين الموجيين. معدل القناة الواحدة هو 100 جيجابت في الثانية PAM4، ويتطلب الأمر 8 ألياف. بالمقارنة مع SR8، يتم تقليل عدد الألياف في هذا المحلول بمقدار النصف. يظهر مخطط الكتلة الخاص به في الشكل أدناه:

800 جرام PAM4 CDR

تظهر واجهة الألياف الخاصة بها في الشكل أدناه، باستخدام واجهة MPO-12.

هناك معايير مختلفة للوحدات الضوئية 800G للتطبيقات أحادية الوضع:

800 جرام DR8، 800 جرام 2xDR4، و 800 جرام PSM8

تتمتع هذه المعايير الثلاثة ببنيات داخلية متشابهة، تحتوي جميعها على 8 أجهزة إرسال و8 أجهزة استقبال، ومعدل قناة واحدة يبلغ 100 جيجابت في الثانية، مما يتطلب 16 أليافًا ضوئية. 800 جرام DR8 تعتمد الوحدة الضوئية تقنية 100G PAM4 و8 قنوات متوازية أحادية الوضع، ويمكن أن تصل مسافة النقل من خلال الألياف الضوئية أحادية الوضع إلى 500 متر.

يتم استخدامه عادةً لمركز البيانات والتوصيل البيني 800G-800G و800G-400G و800G-100G. يعتمد PSM800 8G تقنية CWDM، مع 8 قنوات بصرية، كل منها بمعدل نقل 100 جيجابت في الثانية، مما يدعم مسافة نقل تبلغ 100 متر. إنها مناسبة جدًا للنقل لمسافات طويلة ومشاركة موارد الألياف.

يشير 800G 2DR4 إلى واجهتين "2G-DR400". الواجهة البصرية لـ 4DR2 هي 4 MPO-2، كما هو موضح في الشكل أدناه. يمكن توصيله بوحدة بصرية 12G DR400 بدون كابل فرعي من الألياف، مما يدعم مسافة نقل 4 متر، وهو مناسب لترقيات مركز البيانات. الواجهة البصرية لـ PSM500 وDR8 هي MPO-8.

800 جرام 2xFR4 و2xLR4

يحتوي هذان المعياران على هياكل داخلية متشابهة، وكلاهما يحتوي على 4 أطوال موجية ومعدل قناة واحدة يبلغ 100 جيجابت في الثانية. وباستخدام Mux لتقليل عدد الألياف الضوئية، يلزم وجود 4 ألياف ضوئية، كما هو موضح في الشكل أدناه.

هذان الحلان عبارة عن ترقيات للوحدات الضوئية 400G FR4 وLR4، باستخدام أطوال موجية 1271/1291/1311/1331 نانومتر CWDM4. يدعم 2xFR4 مسافة إرسال تبلغ 2 كم، ويدعم 2xLR4 مسافة إرسال تبلغ 10 كم. تعتمد واجهاتها الضوئية واجهات CS مزدوجة أو واجهات LC مزدوجة.

800 جرام FR4

يستخدم هذا الحل أربعة أطوال موجية، بمعدل قناة واحدة يبلغ 200 جيجابت في الثانية، مما يتطلب اثنين من الألياف الضوئية لدعم مسافة إرسال تبلغ 2 كم، كما هو موضح في الشكل أدناه.

إنها تعتمد واجهة بصرية مزدوجة LC، كما هو موضح في الشكل أدناه.

800 جرام FR8

يستخدم هذا الحل 8 أطوال موجية، كل منها بمعدل 100 جيجابت في الثانية، مما يتطلب اثنين من الألياف الضوئية لدعم مسافة إرسال تبلغ 2 كم، كما هو موضح في الشكل أدناه. قنوات الطول الموجي الثمانية هي 1271/1291/1311/1331/1351/1371/1391/1411 نانومتر على التوالي.

تأثير Al على نشر الوحدات الضوئية 800G

لماذا يعتبر 800 جيجا أكثر أهمية من 400 جيجا لخوادم الذكاء الاصطناعي؟

أولاً، تتطلب خوادم الذكاء الاصطناعي معدل نقل بيانات عاليًا وزمن وصول منخفض وتحتاج إلى محولات مثبتة على الحامل تتوافق مع النطاق الترددي الأساسي. قد تحتاج هذه المحولات أيضًا إلى تكرار الكمون، الأمر الذي يتطلب وحدات ضوئية عالية السرعة. على سبيل المثال، تم تجهيز خادم NVIDIA DGX H100 بوحدات GPU 8xH100، تتطلب كل منها وحدات بصرية 2x200G. لذلك، يحتاج كل خادم إلى 16x على الأقلوحدات 200G، ويحتاج منفذ التبديل الموجود على الرف العلوي إلى 4x على الأقل800غ.

ثانيًا، تتمتع الرقائق الضوئية 800G بكفاءة أعلى من حيث التكلفة وفوائد اقتصادية. يستخدمون رقائق EML سعة 100 جيجا، بينما يستخدم 200 جيجا/400 جيجا رقائق ضوئية 50 جيجا. تشير البيانات إلى أنه بنفس المعدل، تكون تكلفة الشريحة الضوئية 100 جيجا أقل بنسبة 30% من تكلفة شريحتين ضوئيتين 50 جيجا. مع ذلك، وحدات بصرية 400G لا تزال لها أهمية هامة في هذه الصناعة.

على الرغم من أنها قد لا تكون قادرة على مطابقة سرعة الوحدات الضوئية 800G، إلا أنها تعمل على تحسين عرض النطاق الترددي بشكل كبير مقارنة بالتقنيات القديمة، وهي الحل المفضل للعديد من المؤسسات. بالإضافة إلى ذلك، قد لا تحتاج بعض التطبيقات إلى كافة ميزات 800G Ethernet و400G إيثرنت هو أكثر عملية بالنسبة لهم. مع الطلب المتزايد على نقل البيانات بشكل أسرع وأكثر كفاءة، فقد وصل عصر الوحدات الضوئية 800G.

بفضل إمكانات النطاق الترددي الممتازة وتقدم تقنية LPO، ستغير الوحدات الضوئية 800 جيجا صناعة الذكاء الاصطناعي ومركز البيانات تمامًا.