800G QSFP-DD800 OSFP أجهزة الإرسال والاستقبال

رعاة 800G MSA القابل للتوصيل هم شركات صينية ويابانية بشكل رئيسي ، بما في ذلك مختبر تكنولوجيا الاتصالات الصينية ، H3C ، Huawei ، Sumitomo ، Tencent ، و Yamazaki. الهدف هو تحديد وحدات بصرية منخفضة التكلفة قابلة للتوصيل لتطبيقات مركز البيانات مع ناقل حركة 800G قصير المدى ، بما في ذلك مواصفات 8X100G و 4X200G ، بمسافات نقل تشمل 100m و 500m و 2km ، كما هو موضح في الشكل أدناه. 

هناك حاليًا بعض الآراء في الصناعة بأن احتياجات نقل 800G ستظهر في عام 2021 ، وسيبدأ السوق في النضج بحلول عام 2023. في المقابل ، هناك مجموعة عمل وحدة بصرية QSFP-DD800 MSA بقيادة شركة الاتصالات الأمريكية العملاقة Broadcom و Cisco للترويج التوحيد القياسي للوحدات الضوئية 800G والموصلات ذات الصلة بتنسيق QSFP-DD.

1. أدت التطبيقات الجديدة (الحوسبة السحابية ، تطبيقات الذكاء الاصطناعي) إلى زيادة الطلب على نطاق ترددي أعلى للتوصيل البيني ، وتحتاج الصناعة إلى وحدات بصرية أسرع ، مثل 800G ؛

2. متطلبات بنية مركز البيانات وعرض النطاق الترددي للمفاتيح في مواقع مختلفة ؛

3. متطلبات سيناريو التوصيل البيني SR ، التحليل الفني لحل 8x100G ؛

4. تحتاج إلى تحليل سيناريو FR للتوصيل البيني ، وجدوى تقنية 4x200G ، التكنولوجيا الرئيسية ؛

5. الحلول التقنية المحتملة لسيناريوهات DR.

6. ملخص وتوقعات.

وفقًا لأبحاث Fiber Mall ، فإن التطبيقات الجديدة مثل AR / VR و AI و 5G ستولد كميات متزايدة من حركة المرور وتنمو بشكل كبير. سيؤدي ذلك إلى الحاجة إلى مزيد من النطاق الترددي والمزيد من الاتصالات ، كما هو موضح في الشكل. ستستمر سعة عرض النطاق الترددي العالمي في النمو بسرعة خلال السنوات الأربع المقبلة ، بمعدل نمو مركب يبلغ 48٪.

يعكس السوق المطابق للطلب هذا الاتجاه أيضًا. كما هو مبين في الشكل 4 ، يتنبأ حساب الضوء بأن 400G من الوحدات الضوئية في سوق مركز البيانات ستنمو بسرعة في السنوات الخمس المقبلة ، وسيظهر سوق 2x400G أو 800G حوالي عام 2022. وفقًا لفلاديمير ، دكتوراه ، الرئيس التنفيذي لشركة Lightcounting أبحاث السوق ، سينشر مشغلو مراكز البيانات السحابية 800G QSFP-DD و 800G OSFP في الفترة من 2023 إلى 2024 لمواكبة حركة مرور الشبكة المتزايدة. ستكون معظم هذه الوحدات الضوئية قابلة للتوصيل ، ومن الممكن رؤية وحدات مجمعة معًا.

نظرًا لأن قانون مور لمضاعفة السعة في غضون عامين لم ينته بعد في تبديل رقائق ASIC ، فإن بنية مراكز البيانات السحابية ستواجه تحديًا من خلال توسيع السعة. تبلغ سعة محولات Ethernet الحالية المنتشرة تجاريًا 12.8 تيرا بايت / ثانية ، على الرغم من أنها ستواجه الاستبدال بمقدار 25.6 تيرا بايت / ثانية في عام واحد. يظهر مسار تطور السعة للمفاتيح في الشكل 1 ، والذي سيضع ضغطًا هائلاً على الوصلات البينية الضوئية عالية الكثافة. هذا لأنه لا يمكن لجميع الأجهزة الإلكترونية الضوئية مضاعفة كثافة تكاملها كل عامين كما تفعل عمليات CMOS. يتم تحديد ذلك من خلال الاختلافات في الأجهزة والتصميم وطرق التصنيع.

في السنوات القليلة الماضية ، أحدثت الوحدات الضوئية قصيرة المدى 100G القائمة على الفحص المباشر NRZ دفقة كبيرة ، حيث حملت معظم حركة المرور سريعة النمو للخدمات السحابية. منذ أن بدأ معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) البحث عن المعايير المتعلقة بـ 400GE في مارس 2011 ، فقد بشرت بنشر وحدات بصرية 400G QSFP-DD على نطاق واسع في عام 2020 وسيكون الطلب أقوى في العام المقبل. يوضح الشكل 4 اتجاه النمو هذا. تجدر الإشارة إلى أنه في المرحلة المبكرة من التطبيق ، تُستخدم وحدات 400G QSFP-DD بشكل أساسي للإرسال في سيناريوهات DR4 بمعدلات 4x100G ومسافات تصل إلى 500 متر ، بالإضافة إلى سيناريوهات FR4 بمعدلات 2x200G ومسافات تصل إلى 2km ، 400GE لا يتم استخدام وظيفة MAC بالفعل. في الوقت نفسه ، يُلاحظ أيضًا أن IEEE قد لا يقوم بتوحيد المنافذ الضوئية 800GE على المدى القصير ، على الأقل في العامين الماضيين ، لن يكمل التوصيل البيني عالي الكثافة 8x100GE أو 2x400GE لمعيار 800GE. ولكن بحلول ذلك الوقت ، ظهر الطلب الفعلي على 800G ، لذلك تحتاج الصناعة إلى تطوير مواصفات لتحقيق الترابط والتشغيل البيني لمنتجات الوحدات الضوئية 800G من مختلف الشركات المصنعة.

بشكل عام ، قد تختلف بنية مركز البيانات وخصائص حركة المرور اعتمادًا على التطبيق الذي يتم تقديمه. على سبيل المثال ، من المرجح أن تكون حركة المرور الرئيسية في مركز البيانات التي توفر خدمات من نوع XaaS للعملاء الخارجيين من خادم إلى عميل من الشمال إلى الجنوب ، وفي هذه الحالة يمكن أن يكون حجم مركز البيانات أكثر تركيزًا جغرافيًا. في المقابل ، في مركز البيانات السحابي أو التخزين الموجه للاحتياجات الداخلية ، من المرجح أن تتدفق حركة المرور من الشرق إلى الغرب من خادم إلى خادم ، الأمر الذي يتطلب عادةً تركيز موارد مركز البيانات الضخمة. على الرغم من تشابه سيناريوهات التطبيق ، لا يزال بإمكان المشغلين اختيار حلول التوصيل البيني البصري المستندة إلى PSM4 أو CWDM4 بناءً على تفضيلاتهم الخاصة. هذا يؤدي إلى مجموعة متنوعة من بنيات وتقنيات مركز البيانات.

هناك نوعان من الهياكل الشائعة لمركز البيانات على الأقل. يوضح الشكل أدناه بنية مركز بيانات نموذجية (3 طبقات) وخريطة طريق تطور معدل التحويل. ومع ذلك ، سيكون لمركز البيانات النموذجي أجهزة أكثر من تلك الموجودة في الشكل وستظهر البنية أكبر وأكثر تعقيدًا. تعتبر نسبة التقارب حوالي 3: 1 بين كل طبقة. على سبيل المثال ، قد يتم توصيل مفتاح Spine بثلاثة مفاتيح Leaf ، وهكذا. في الجزء العلوي من طبقة العمود الفقري ، هناك حاجة إلى حل ربط بصري متماسك من النوع ZR لتحقيق الترابط مع مراكز البيانات الأخرى (سيناريو DCI). رمز معدل واجهة 800G هو أنه عندما يصل المعدل بين مفتاح قطع ومحول TOR إلى 200 جرام ، يجب اعتماد هيكل PSM4 4x200G بين TOR و Leaf وكذلك طبقة العمود الفقري.

تتوافق مفاتيح التبديل TOR و Leaf و Spine هنا في الواقع مع طبقة الوصول وطبقة التجميع والطبقة الأساسية. بالنسبة لشبكة مركز البيانات النموذجية (DCN) ، يلزم 800 جيجا من عرض النطاق الترددي لاتصال الشبكة إذا تم نشر 200 جيجا من عرض النطاق الترددي للخادم. ومع ذلك ، فإن بعض التجارة-offيمكن أن يتم ذلك في قدرة مركز البيانات على تقديم الخدمات (عرض النطاق الترددي ومسافة الإرسال والموارد الأخرى) بناءً على ميزانية إنشاء مركز البيانات. كما هو الحال في الجدول 1 ، يتم تقديم عرض النطاق الترددي ومتطلبات مسافة الإرسال للطبقات المختلفة في شبكة مركز البيانات ، ومتطلبات حجم حزمة الوحدة الضوئية الموصى بها.

بالنظر إلى متطلبات الحوسبة الهائلة لتطبيقات الذكاء الاصطناعي الناشئة حديثًا ، يتم عادةً اعتماد بنية تبديل ثنائية الطبقات في بعض مجموعات الحواسيب العملاقة الموجهة نحو تطبيقات الذكاء الاصطناعي أو مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي ، كما هو موضح في الشكل 7. وهذا بسبب مراعاة خصائص حوسبة الذكاء الاصطناعي ، ليست هناك حاجة لتجميع حركة المرور بين الطبقات. نظرًا لأن حركة كل خادم كبيرة جدًا بالفعل ، فهي تتوافق مباشرة مع واجهة تبديل وتتمتع بموارد النطاق الترددي الحصرية. يمكن ملاحظة أن خصائص حركة المرور لشبكة مركز بيانات الكمبيوتر العملاق أو الذكاء الاصطناعي هذه تختلف عن تلك الخاصة بمراكز البيانات التقليدية. إنها خدمات مرور الجسيمات الكبيرة التي لا تحتاج إلى تبادل متكرر.

لا تتطلب شبكة مركز بيانات الطبقة 2 تجميع حركة المرور بين الطبقات. إذا تم نشر خوادم 400G ، فإن النطاق الترددي لربط الشبكة 800G مطلوب. بالمقارنة مع شبكة مركز البيانات التقليدية ثلاثية الطبقات ، تعد هذه البنية المكونة من طبقتين أكثر ملاءمة للنشر السريع ولديها زمن انتقال أقل ، وهو مناسب جدًا للذكاء الاصطناعي أو الكمبيوتر العملاق DCN في المستقبل. يوضح الجدول 2 المؤشرات الفنية المحددة لـ DCN هذا.

ومع ذلك ، في بعض الشركات الصغيرة أو شبكات مراكز البيانات السحابية الصغيرة ، قد لا يتطلب معدل النقل بين Leaf والخوادم قدرًا كبيرًا من النطاق الترددي مثل 400G ، الأمر الذي يتطلب تصميمًا محددًا يأخذ في الاعتبار العلاقة بين سيناريوهات التطبيق الفعلية التي تواجهها والتكلفة.

لنتحدث عما يجب أن تبحث عنه في إنشاء مركز البيانات. أهم عاملين يجب النظر إليهما في حل مركز البيانات هما قابلية التوسع والتكلفة. عند تصميم مركز بيانات ، لا يمكن إنشاء التحكم في التكلفة والأداء وفقًا لمعيار مرتفع جدًا أو منخفض جدًا. إذا كان المستخدمون يفرطون في البناء ، فستكون هناك موارد مهدرة ، على الرغم من أنه يمكن استخدام هذه الموارد لتوسيع المزيد من الأعمال. لكن قدرة الموارد الخاملة باهظة الثمن ، ويمكن أن تصبح هذه السعة تقنية عفا عليها الزمن عندما تكون هناك حاجة فعلية لاستخدامها. على سبيل المثال ، إذا قام مستخدم ببناء مركز بيانات مع دورة حياة متوقعة مدتها 10 سنوات وكان لديه قدرة إضافية مدمجة لاستيعاب النمو المستقبلي ، فقد تصبح هذه السعة متقادمة في غضون خمس سنوات. بحلول ذلك الوقت ، يمكن للتقدم في استهلاك الطاقة والأداء والميزات الأخرى أن يضع عمليات مركز البيانات وصيانته في وضع غير مؤاتٍ بشكل كبير.　

يمكن أن تكون مراكز البيانات أيضًا صعبة إذا تم بناؤها على مستوى أقل ، ويمكن أن تكون أكثر تكلفة. إذا كانت قدرة المستخدم على تصميم القواعد أقل من المتطلبات المخطط لها ، فستكون هناك نفقات رأسمالية كبيرة عند توسيع مركز البيانات وتحديثه.

إنه بسبب إنشاء مركز البيانات المحتمل أعلاه حول المشكلة أو في ظلها ، وبالتالي فإن التوسع السريع لمركز البيانات والتشغيل المريح وتكلفة هذه المشكلات الرئيسية هي أولويات العديد من المؤسسات.

ويرجع ذلك إلى ما سبق ذكره من إمكانات بناء مفرط أو تقويض لمراكز البيانات. لذلك ، فإن القضايا الرئيسية للتوسع السريع لمركز البيانات ، وسهولة التشغيل ، والتكلفة هي من أولويات العديد من الشركات. بالنسبة للحل الأكثر مرونة ، غالبًا ما تختار المؤسسات نموذج استضافة مركز البيانات. يسمح مشغلو استضافة مركز البيانات للمستخدمين "بالدفع عند الطلب ، وتوسيع نطاق العمل بشكل تدريجي". يمكن للمستخدمين توسيع أو تقليل المساحة المستأجرة حسب الحاجة ، ودفع رسوم الاستخدام المرتبطة فقط. يؤدي هذا إلى إزالة السعة غير المستخدمة أو غير المستغلة من المستخدم ، ويزيل جميع المشكلات المتعلقة بالبنية التحتية ، ويزيد من قيمة استثماراتهم في تكنولوجيا المعلومات.

ومع ذلك ، فهذه ليست مشكلة بالنسبة لبعض عمالقة الإنترنت ، الذين يهتمون أكثر بقيمة البيانات نفسها ، لذلك لن يترددوا في استثمار الكثير من الأموال لبناء مراكز البيانات الخاصة بهم وتقديم خدمات السحابة الخاصة بهم ، مع الاحتفاظ بالأصول الرئيسية بأيديهم. على سبيل المثال ، لدى Alibaba و Tencent و Baidu و Facebook و Google وحتى بعضها أقسام بحثية مخصصة متعلقة بالبنية التحتية للشبكة ، تبحث في مختلف حلول التوصيل البيني الضوئية منخفضة التكلفة وعالية السرعة ، حتى الوحدة الضوئية لتطوير حلولها الخاصة. الهدف هو بناء شبكة أفضل من مراكز البيانات ، وتقديم خدمات أسرع وأكثر تنوعًا ، وجذب المزيد من المستخدمين.

أخيرًا ، يجدر شرح سبب انتشار شبكات مراكز البيانات في السنوات الأخيرة. كل شيء يبدأ بالفيديو. تُظهر أحدث توقعات حركة مرور VNI من Cisco ، الموضحة أدناه ، أن حركة مرور الفيديو أصبحت جزءًا متزايد الأهمية من الشبكة في السنوات الأخيرة ، ومن المتوقع أن تمثل أكثر من 80٪ من إجمالي حركة مرور الإنترنت بحلول عام 2022. لن يكون هذا مفاجئًا بالنسبة إلى أنت ، فنحن المتلقين والمنتجين لحركة مرور الفيديو كل يوم. نشوء خدمة الفيديو هو تغيير معمارية الشبكة الحمالة وتوزيع حركة المرور. مع إنشاء شبكات توزيع المحتوى (CDN) وغرق شبكات مراكز البيانات (DCN) ، يتم تخزين المحتوى ، مثل مقاطع الفيديو والملفات ، مؤقتًا بالقرب من المستخدم ، مما يوفر زمن انتقال أقل وتخزينًا مؤقتًا أسرع. لن تحتاج معظم حركة المرور بعد الآن إلى السفر عبر مسافات طويلة في الشبكة الأساسية ، ولكن سينتهي بها الأمر ضمن نطاق شبكات المناطق الحضرية أو شبكات مراكز البيانات قصيرة ومتوسطة المسافات. في وقت مبكر من عام 2017 ، كان هناك تقرير يفيد بأن حركة مرور MAN لمسافات قصيرة ومتوسطة قد تجاوزت حركة المرور الأساسية لمسافات طويلة. يعد مركز البيانات ، وخاصة السحابة الترابطية لمركز البيانات (DCI) ، التطبيق الأكثر شيوعًا لشبكات المترو. لذلك ، فليس من المستغرب أن يكون موضوعها ساخنًا في السنوات الأخيرة.

بالنسبة لنقل 100 متر من مركز البيانات ، فقد ابتليت الصناعة بالفعل بتقنية نقل VCSEL مع حد معدل يبلغ حوالي 100 جيجا لكل قناة ، ويبدو من الصعب الاستمرار في رفع السرعة. يهدف 800G MSA إلى تطوير وحدات بصرية 8x100G QSFP-DD أو OSFP منخفضة التكلفة لتطبيقات SR ، مما يضمن على الأقل التطبيقات الأكثر أهمية في SR ، ودعم 60 إلى 100m الإرسال ، كما هو موضح في الشكل 9.

علاوة على ذلك ، تحاول مجموعة عمل 800G MSA تحديد تقنية إرسال تتيح خفضًا خطيًا في التكلفة من خلال نهج متكامل للغاية لتمكين الدفع المبكر السريع في سوق التوصيل البيني الضوئي عالي الكثافة 800G. يمكن أن يدعم 800G SR8 منخفض التكلفة الاتجاهات التطورية الحالية لمركز البيانات من خلال توفير اتصال خادم تسلسلي منخفض التكلفة 100G: زيادة منافذ التبديل وتقليل عدد الخوادم لكل حامل. كما هو مبين في الشكل 9 ، ستحدد مجموعة عمل 800G MSA مواصفات منخفضة التكلفة المادية تعتمد على الطبقة الفرعية (PMD) لتوصيلات الألياف أحادية الوضع بناءً على تقنية 100G PAM4. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا للحاجة إلى زمن انتقال منخفض في تطبيقات SR ، سيتم استخدام KP4 FEC لتنفيذ تصحيح الخطأ في الوحدات الضوئية 800G MSA ، وتشمل خوارزميات DSP الأخرى استعادة الساعة والتوازن البسيط. يجب أيضًا تحديد موصل لوحدة PSM8 لتمكين الاتصال بـ 8x100G.

مقارنةً بوحدات SR التقليدية ، لن يستخدم 800G SR8 بعد الآن حلًا متعدد الأوضاع قائمًا على VCSEL ، ولكن طريقة نقل أحادية الوضع متوازية ، PSM8 ، مع تنسيق تعديل PAM4 بما في ذلك شريحة DSP.

كما تم التحليل أعلاه ، قد يحد معدل 100G أحادي القناة من الحل متعدد الأوضاع في 400G QSFP-DD SR8 لمواصلة التطور إلى 800G QSFP-DD SR8. استنادًا إلى نموذج IEEE النظري ، يمكن الاستدلال على أنه عندما يصل معدل البث بالباود إلى نطاق 50 جيجا ، فإن مسافة الإرسال التي تدعمها الألياف متعددة الأوضاع MMF لن تتجاوز 50 مترًا ، كما هو موضح في الجدول 3.

العوامل المحددة الرئيسية هي عرض نطاق التشكيل لـ VCSEL والتشتت متعدد الوسائط لـ MMF. على الرغم من أن مسافة النقل يمكن أن تمتد إلى حوالي 100 متر بمساعدة خوارزمية DSP القوية عن طريق تحسين تصميم الجهاز والألياف الضوئية ، فإن التكلفة عالية التكلفة ، مع تأخير كبير ، واستهلاك للطاقة. بناءً على ذلك ، توصي مجموعة العمل للوحدة الضوئية MSA Pluggable 800G بتكنولوجيا النقل أحادية الوضع للتوصيل البيني 800G-SR8.

لضمان حل أحادي النمط قائم على الألياف SMF بتكلفة أقل واستهلاك طاقة أقل ، يجب تحديد متطلبات معيار PMD المعقول لـ 800G-SR8. يحتاج تعريف طبقة PMD إلى تلبية ثلاثة مبادئ على الأقل:

1) السماح بتقنيات الإرسال المتعددة القائمة على الحلول ، مثل DML و EML و SiPh.

2) يمكن الاستفادة الكاملة من جميع إمكانات الجهاز من أجل تحقيق أداء الارتباط المستهدف.

3) يتم تخفيف معلمات طبقة PMD قدر الإمكان طالما تم استيفاء أداء الوصلة الموثوق. يتم شرح وتحليل هذه المبادئ الثلاثة في ما يلي مع نتائج الدراسة التجريبية.

بادئ ذي بدء ، من حيث ميزانية الطاقة ، من المتوقع أن يكون 800G-SR8 القائم على الوضع الفردي مشابهًا جدًا لـ 400G-SR8 ، والفرق الوحيد هو الحاجة إلى تحديد خسارة الإدراج للموصل أحادي الوضع PSM8 المحدد حديثًا . هذا يعني أن شريحة DSP يمكنها تلبية متطلبات ميزانية الطاقة لـ 800G-SR8 عن طريق استخدام الأجهزة الإلكترونية الضوئية التي أثبتت كفاءتها من التوصيل البيني الحالي 400G-SR8. لذلك ، بالإضافة إلى تحديد موصل PSM8 ، يكمن التحدي الأكبر في تحديد مواصفات 800G-SR8 PMD في إيجاد سعة التعديل البصري لجهاز الإرسال المناسب (OMA) ، ونسبة الانقراض (ER) ، وإغلاق عين المرسل والتشتت لـ PAM4 (TDECQ) وحساسية جهاز الاستقبال. للعثور على هذه المقاييس المناسبة ، اختبرت مجموعة عمل MSA وقيمت أداء BER لعدد من أجهزة الإرسال المختلفة ، كما هو موضح في الشكل 10.

النتائج التجريبية المذكورة أعلاه هي منحنيات BER مقابل منحنيات OMA المقاسة في الوقت الحقيقي على طول موجة واحدة 100G PAM4 بناءً على شريحة تجارية 400G DSP. من بينها ، قد تكون نتائج 100G لـ EML و SiPh معروفة بالفعل لأنها تمت مناقشتها في السنوات الأخيرة ، لكن الحساسية القائمة على حل DML جيدة أيضًا ، فقط منصة BER أعلى قليلاً ، ولكن طالما أنها كذلك أقل من عتبة BER لـ KP4 FEC. نظرًا لأن فوتونات السليكون ، فإن فقد المرسل البصري أكبر قليلاً ، وقوة خرجه أصغر من الحلول الأخرى ، لذلك يحتاج إلى محاولة التفكير في الاسترخاء المناسب عند تحديد 800G SR8 كحد أدنى لمؤشر OMA.

لاحظ أنه على الرغم من استخدام أجهزة DML ذات النطاق الترددي الأصغر من أجهزة EML و SiPh في نتائج DML المذكورة أعلاه ، فإن استخدام رقائق DSP التجارية الأكثر قوة من جهاز الاستقبال المرجعي 400GE المحدد بواسطة IEEE لا يزال بإمكانه تحقيق توازن أفضل وتحقيق حساسية OMA مماثلة مثل EML و SiPh لتلبية ميزانية الطاقة 800G SR8. من أجل إطلاق العنان للإمكانات الكاملة لـ DSP في تطبيقات 800G SR8 ، يجب إعادة تعريف اختبارات امتثال المستقبِل مثل TDECQ لتتناسب مع قدرة المعادلة الفعلية لرقائق DSP التجارية ، مثل الصنابير أكثر من الصنابير الخمسة المحددة حاليًا.

من ناحية أخرى ، بالنظر إلى متطلبات الحساسية المنخفضة في سيناريوهات SR والقيود الصارمة لاستهلاك الطاقة في الوحدات البصرية 800G ، يوصى أيضًا باستخدام أوضاع DSP منخفضة التعقيد في الوحدات البصرية 800G المستقبلية. نسبة الانقراض ER ، كمقياس مرتبط بشكل مباشر باستهلاك الطاقة ، هي نظريًا كلما كانت ER أقل كلما كان ذلك أفضل طالما أن النقل الموثوق للرابط مضمون. بناءً على التحليل أعلاه ، تعتقد مجموعة عمل MSA أنه يمكن استخدام حل منخفض التكلفة ومنخفض الطاقة يعتمد على SMF كحل واعد لتطبيقات 800G-SR.

يعد الإرسال أحادي القناة 200 جيجا استنادًا إلى تقنية تعديل PAM4 هو المعلم التقني الرئيسي التالي لأنظمة الكشف المباشر لتعديل الكثافة (IMDD) والأساس لتحقيق التوصيلات البينية الضوئية ذات 4 قنوات 800 جيجا ، وحتى التوصيلات البينية عالية السرعة 1.6 تي على أساسها.

كما هو مبين في الشكل 11 ، ستحدد مجموعة العمل مجموعة كاملة من مواصفات PMD وطبقة PMA الجزئية ، بما في ذلك حل FEC جديد منخفض الطاقة وزمن وصول منخفض لتغليف طبقة فوق إشارة الإدخال الكهربائية 112G لتحسين صافي كسب الترميز المودم.

يتمثل أحد أهداف الصناعة في تطوير جيل جديد من المحاكيات الكهربائية والبصرية عريضة النطاق لمكونات المرسل والمستقبل ، بما في ذلك ADC و DAC الشائع الاستخدام. لتلبية متطلبات الطاقة للوحدات الضوئية 800G القابلة للتوصيل ، سيتم تصنيع الجيل التالي من رقائق 200G PAM4 DSP باستخدام عملية CMOS منخفضة الوصلة ، مثل 7 نانومتر / 5 نانومتر ، وسيتطلب أيضًا خوارزميات معالجة الإشارات الرقمية منخفضة التعقيد والطاقة المنخفضة لمعادلة القناة.

يبدو أن حل التوصيل البيني 4x200G FR يحتوي على مسارين تحقيق ، أحدهما عبارة عن حل PSM4 مع 4 أزواج من الألياف أحادية الوضع ، والآخر يستخدم زوجًا واحدًا من الألياف بناءً على CWDM4 ، والذي لا يزال لديه فرق كبير نسبيًا في المنفذ البصري الخارجي الكثافة ، وينبغي أيضًا زيادة تكلفة وتعقيد وحدات CWDM4 بشكل كبير.

في LAN-WDM ، يكون TEC مطلوبًا للتحكم في درجة الحرارة ، بينما في تطبيق 200G أحادي القناة ، من المتوقع تجنب التحكم في درجة الحرارة. سيتم تحليل ميزانية الطاقة لـ 800G-FR4 بناءً على CWDM4. تشمل العوامل الرئيسية المتعلقة بميزانية القدرة خسارة إدخال الوصلة وتداخل المسير المتعدد (MPI) وتأخير مجموعة مختلفة (DGD) وعقوبة الإرسال والتشتت (TDP). وفقًا للنموذج المنشور في معيار IEEE ، يتم حساب العقوبة الناتجة عن MPI و DGD كما هو موضح في الجدول 4. نظرًا لأن البث بالباود لقناة واحدة 200G أعلى من 100G ، يجب أن تكون عقوبة التشتت أكبر. أوصى فريق العمل بقيمة معقولة TDP تبلغ 3.9 ديسيبل. باختصار ، مع الأخذ في الاعتبار تقادم المستقبل وخسائر الاقتران وقدرة الخرج البصري لجهاز إرسال نموذجي ، خلص فريق العمل إلى أن حساسية مستقبل 200G PAM4 يجب أن تكون حوالي -5dBm.

مقارنة بـ 100 جيجا ، يتضاعف الباود 200 جيجا ، مما يؤدي إلى تدهور نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) لـ 3 ديسيبل. قد يكون من الضروري استخدام أكواد أقوى لتصحيح الأخطاء FEC للحفاظ على حساسية -5dBm وتجنب منصة BER فوق عتبة Pre FEC BER. لذلك ، كما ذكرنا سابقًا ، يجب تغليف طبقة إضافية من زمن الوصول المنخفض والتعقيد المنخفض أعلى KP4 FEC عند تنفيذ الوحدة البصرية. يمكن تعيين حد خطأ FEC الجديد وفقًا لأداء الارتباط البصري الفعلي ومتطلبات ميزانية الطاقة.

قامت مجموعة العمل أيضًا بتحليل أداء رابط القناة الواحدة 200G من خلال المحاكاة والتجارب. يوضح الجدول 5 معلمات الأجهزة المستخدمة في الارتباط. وتظهر النتائج التجريبية أنه عند ضبط عتبة BER لمعيار التصحيح الأمامي للأخطاء (FEC) الجديد على 2e-3 ، يمكن أن تصل حساسية جهاز الاستقبال إلى الهدف ، كما هو موضح في الشكل 12 (أ) ). ومع ذلك ، يتم استخدام خوارزمية تقدير تسلسل الاحتمالية القصوى (MLSE) في التجارب للتعويض عن التداخل القوي بين الشفرات ISI في القناة بسبب ترشيح النطاق الضيق. 

يمثل الخط المتقطع في الشكل 12 (أ) النتائج بناءً على محاكاة معلمة الجهاز التجريبية. جنبا إلى جنب مع النتائج التجريبية ، أظهرت دراسة المحاكاة أن العامل المحدد لأداء النظام هو عرض النطاق الترددي للأجهزة مثل DA / AD ، والمحرك ، والمغير الكهروضوئي. بافتراض أنه سيتم تقديم أجهزة النطاق الترددي العالي إلى السوق في السنوات القليلة المقبلة ، تستند المحاكاة إلى نفس النظام ولكن بعد ضبط النطاق الترددي للجهاز على حجم أكبر ، وجد أنه يمكن تلبية متطلبات الحساسية المقابلة في DSP في Pre FEC BER = 2e-3 باستخدام خوارزمية المعادلة الأمامية (FFE) فقط ، وتظهر النتائج في الشكل 4 (ب) ، والذي يتوافق مع التوقعات النظرية.

بناءً على التحليل أعلاه ، لا يزال من المستحسن تلبية مقاييس TDECQ المقابلة في اختبار الامتثال لسيناريو 800G-FR4. فقط عدد النقرات FFE للمستقبلات المرجعية المستخدمة في اختبار TDECQ يحتاج إلى زيادة إلى قيمة مناسبة ، والتي تستحق أيضًا مزيدًا من المناقشة والدراسة. بالطبع ، إذا كانت السعة (النطاق الترددي) لأجهزة 100 جيجابت في المستقبل أقل من توقعاتنا ، فلا يزال يتعين علينا التفكير في استخدام خوارزميات أكثر تعقيدًا مثل MLSE في سيناريو FR4 ، مما يعني تطوير حلول امتثال جديدة.

من أجل ضمان سلامة الإشارة للإشارة عالية السرعة مع مراعاة نطاق تردد Nyquist (أي 56 GHz) ، يجب إعادة النظر في تصميم الحزمة لجهاز الإرسال والمستقبل 4x200G. يوجد تطبيقتان محتملتان لجهاز الإرسال في الشكل 13. الطريقة A هي الحل التقليدي حيث يتم وضع المشغل والمحول معًا. في المقابل ، تم تصميم شريحة Driver بشكل مقلوب في الحل B مع شريحة DSP لتحسين تكامل الإشارة على خط نقل التردد اللاسلكي. كل من هذه التقنيات متوفرة حاليا.

تظهر دراسات المحاكاة الأولية أنه يمكن الحصول على نتائج أفضل وعروض نطاق مضمونة أكبر من 56 جيجاهرتز باستخدام الحل ب. قد يكون التموج في منحنى استجابة التردد S21 للحل أ ناتجًا عن انعكاس الإشارة على إدخال برنامج التشغيل ، والذي يمكن تحسينه عن طريق مطابقة تصميم السائق لتحسين الأداء النهائي للحل أ.

في جانب المستقبِل ، يجب تقليل السعة الطفيلية لتحقيق مكشاف ضوئي ذي عرض نطاق عريض (PD) ، جنبًا إلى جنب مع مضخم المعاوقة العابرة لعرض النطاق الترددي (TIA) لضمان عرض النطاق الترددي للمستقبل. لا توجد مشكلة فنية في تنفيذ مثل هذا الجهاز باستخدام تقنية أشباه الموصلات الحالية. حتى أن هناك شركات في الصناعة استثمرت بالفعل الكثير من الجهد في تطوير المنتجات المقابلة ، والتي من المتوقع أن تصل إلى الإنتاج الضخم في غضون عام إلى عامين. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الاتصال بين PD و TIA مهم أيضًا ويجب تحسينه وتحليله لأن التأثيرات الطفيلية يمكن أن تؤثر على الأداء.

بشكل عام ، تم ذكر حل FEC أقوى مع عتبة PreFEC BER 2e-3 مسبقًا لضمان متطلبات الحساسية لجهاز الاستقبال 200G PAM4. يوضح الشكل 14 نتائج المقارنة بين الحلول المتتالية والاستبدال. في الحل الأول ، تم استبدال KP4 FEC بـ FEC الجديد الأكثر تكلفة في المنفذ البصري الوسيط ، والذي يتمتع بمزايا من حيث إجمالي الكسب العام وصافي الترميز. في الحل الثاني ، تم اعتماد نهج FEC المتتالي ، حيث يستمر الاحتفاظ بـ KP4 كطبقة تشفير خارجية ويستخدم بالاقتران مع الكود الداخلي الجديد. يستفيد هذا الرمز المتتالي من انخفاض زمن الوصول واستهلاك الطاقة ، وبالتالي فهو أكثر ملاءمة لسيناريو تطبيق 800G-FR4.

طريقة أكثر مباشرة لتحقيق 2E-3 BER عتبة FEC هي توصيل أرقام التوليد الموضحة في الشكل 16 في السلسلة مع KP4 ، مما يقلل من استهلاك الطاقة والتأخير من طرف إلى طرف. تعد كل من أكواد Hamming ذات القدرة على تصحيح BER الفردية وأكواد BCH مع إمكانية تصحيح BER المزدوجة اختيارات مناسبة لأكواد التوليد في مخطط التسلسل هذا. يحتوي كلا الكودتين الداخليتين على نسبة عالية تبلغ حوالي 6 ٪ ويتم دمجهما مع خوارزمية فك تشفير عودية بسيطة (SIHO) مع 64 نمط اختبار ، يمكن لكل من رموز Hamming و BCH تحقيق أداء أفضل من 2e-3 لتصحيح خطأ العتبة. يعمل توزيع الرموز المحدد في 400GBASE-R أساسًا كمشذر تكافؤ للتشفير المتسلسل ، ويكون تأخير البتات 10 كيلو كافيًا لفك الارتباط مع الضوضاء التي يتم إدخالها في الألياف.

كما هو موضح في الجدول 6 ، هناك أربعة مسارات لتحقيق 800G DR.

أولاً ، يمكن لحل SR8 المحدد في 800G MSA أن يوسع نطاق الإرسال مباشرة بمقدار 500 متر. نظرًا لأن حل الألياف المتوازية يتطلب المزيد من الألياف ، فقد تكون تكلفة الألياف التي يصل طولها إلى 500 متر مشكلة في هذا التطبيق.

ثانيًا ، استنادًا إلى حل FR4 الحالي ، يمكن توفير حل 2x400G CWDM ببساطة عن طريق مضاعفة أجهزة الإرسال والاستقبال ، والتي يبدو أنها تحقق توازنًا جيدًا بين استهلاك موارد الألياف ونضج المخطط ، ولكن التكلفة واستهلاك الطاقة قد يحد من تطبيقه العملي .

أخيرًا ، قد يكون الجيل التالي من حلول 200G أحادية القناة (PSM4 أو CWDM4) قادرًا على تغطية تطبيقات DR. يتطلب هذا النهج 4 أزواج فقط من وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية ويبدو أن لديها أقل استهلاك للطاقة وتكلفة. ومع ذلك ، نظرًا لنضج الصناعة والجدوى العملية لإثبات إضافي ، فليس من الواضح متى سيكون الحل متاحًا تجاريًا.

باختصار ، تمت مناقشة أربعة خيارات ممكنة لـ 800G DR وستواصل مجموعة العمل مراقبة تطوير كل مسار تقني والتوصية بالخيارات في وقت مناسب في المستقبل.

سيأخذ 800G MSA القابل للتوصيل زمام المبادرة في تحديد الوحدات الضوئية لكل من سيناريوهات 800G-SR8 و FR4. في سيناريو SR8 ، من أجل أخذ المزيد من التقنيات في الاعتبار وتقديم حلول أحادية الوضع قائمة على SMF ، نظرت مجموعة العمل في التعديلات المناسبة على بعض المعلمات الرئيسية لطبقة PMD ، مما سمح في النهاية بتخفيف متطلبات OMA و ER لتقليل استهلاك الطاقة ، وستحتاج المستقبلات المرجعية لاختبار TDECQ إلى إعادة تعريف.

أظهر فريق العمل أيضًا الجدوى الفنية للإرسال البصري أحادي القناة 200G لتطبيقات 800G FR4. أظهرت النتائج التجريبية والمحاكاة أنه من الضروري إضافة طبقة فرعية لترميز FEC بزمن انتقال منخفض وقدرة منخفضة في الوحدة الضوئية لتحقيق ميزانية الطاقة المستهدفة. سيتم تقديم التفاصيل الفنية لهذا FEC الجديد في المواصفات القياسية 800G-FR4 لتسهيل التشغيل البيني متعدد البائعين. في الوقت نفسه ، يعد تحسين عرض النطاق الترددي للجهاز وتحسين تصميم حزمة الوحدة مسألتين تحتاجان إلى مزيد من الدراسة.

أصدرت 800G القابلة للتوصيل MSA الإصدار الأول من المواصفات في الربع الرابع من عام 4 ، مع وجود عدد صغير من الأجهزة في النموذج الأولي بالفعل وأول طرز بصرية 2020 جيجا من المتوقع أن تكون متاحة في عام 800. مع جيل 2021 جيجا بايت جاهز للتداول في السوق ، ستعمل الوحدات الضوئية القابلة للتوصيل 400G على الاستفادة من النظام البيئي الجديد لتوفير كثافة اتصال أعلى للجيل القادم من محولات 800T و 25.6T لتمكين التوصيلات البصرية أحادية القناة 51.2G و 100G الفعالة من حيث التكلفة.

بالنظر إلى ما وراء 800G إلى 1.6T ، بدأت الصناعة في رؤية القيود المحتملة للوحدات الضوئية القابلة للتوصيل. باستخدام ثنائي الفينيل متعدد الكلور الكلاسيكي ، من غير المرجح أن تتسع SerDes لوصلات C2M لمعدلات 200G أحادية القناة ، مما يتطلب وضع الإلكترونيات / الرقائق التناظرية والأجهزة البصرية بالقرب من شريحة التبديل. ما إذا كانت الصناعة ستختار في نهاية المطاف البصريات المعبأة (CPO) ، أو البصريات على متن الطائرة (OBO) ، أو نسخة مطورة من التوصيل ، فإن تعريف MSA لقناة واحدة 200G سيكون 800G و 1.6T يربط بين الوحدة الأساسية الضرورية ، أهمية وأهمية بديهي.