Technologieroute von 400G über 800G bis hin zu optischen 1.6T-Transceivern

800G steckbares optisches Modul

In einem Rechenzentrumsnetzwerk ist die Leistung und Bandbreite des Switch-Chips ein sehr wichtiger Faktor, und die Leistung und Bandbreite des Switch-Chips hängen von seiner internen SerDes-Schaltung ab, einer Art Schaltung, die serielle Daten in parallele Daten umwandelt wandelt parallele Daten in serielle Daten um und ermöglicht eine Datenkommunikation mit hoher Geschwindigkeit, geringem Stromverbrauch und geringer Latenz. Die Mainstream-SerDes auf dem heutigen Markt haben eine Geschwindigkeit von 100 Gbit/s (100 Milliarden Bits pro Sekunde), was bedeutet, dass jeder Kanal 100 Gbit/s an Daten übertragen kann. Diese SerDes-Technologie wird als 100G SerDes bezeichnet. Einem Bericht zufolge soll die Bandbreite von Switch-Chips, die 100G SerDes verwenden, im Jahr 2022 bis 2023 die Bandbreite des gesamten Ethernet-Marktes übersteigen und 13.8 ZB (13.8 Gigabyte pro Jahr) erreichen.

800G-Glasfaser und 800G-Ethernet sind zwei aufstrebende Technologien, da der Bedarf an Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung in Rechenzentrumsnetzwerken weiter wächst. 800G Fiber ist ein optisches Gerät, das 800 Gbit/s Daten über Glasfaser übertragen kann. 800G-Glasfaser kann mit verschiedenen SerDes-Konfigurationen implementiert werden, z. B. zwei 400G oder acht 100G. 800G-Glasfaser hat den Vorteil, die Netzwerkleistung und -effizienz zu verbessern, hat jedoch den Nachteil, dass der Stromverbrauch und die Kosten höher sind. Derzeit befindet sich 800G Fiber in einem frühen Stadium und ist es auch offEs wird von einigen der führenden Anbieter angeboten und hauptsächlich zur Verbindung von Hyperscale-Rechenzentren verwendet.

800G Ethernet ist ein Netzwerkstandard, der definiert, wie 800 Gbit/s Daten über Ethernet übertragen werden. Die 800G-Ethernet-Spezifikation wurde im April 2020 von der Ethernet Technology Alliance fertiggestellt. Die 800G-Ethernet-Spezifikation umfasst eine Vielzahl von Parametern für die physikalische Schichtschnittstelle (PHY) und den Media Access Control Layer (MAC), um verschiedenen Anwendungsszenarien und Entfernungsanforderungen gerecht zu werden. Der Vorteil von 800G-Ethernet besteht darin, dass es eine höhere Netzwerkkapazität und Flexibilität bieten kann, der Nachteil besteht jedoch darin, dass es komplexere Technologie- und Standardisierungsarbeiten erfordert. Derzeit befindet sich 800G-Ethernet noch in der Entwicklungsphase und kommerzielle Produkte werden voraussichtlich im Jahr 2023 auf den Markt kommen. 800G-Optiken werden vor 800G-Ethernet fertig sein. Das schnelle Wachstum des Cloud Computing hat zu einer Nachfrage nach 800G-Optiken geführt, insbesondere für KI/ML-Anwendungen, die auf leistungsstarken und kostengünstigen Optiken basieren. 800G-Optiken können eine höhere Bandbreite und spektrale Effizienz bieten, komplexere Modulationsformate und Algorithmen unterstützen und sich an verschiedene Netzwerkarchitekturen und -szenarien von Rechenzentren anpassen. 800G-Optiken ermöglichen auch Hybridbereitstellungen mit 400G-Optiken für mehr Netzwerkflexibilität und -kompatibilität. 800G-Optiken können auch in Hybridform mit 400G-Optiken eingesetzt werden, um die Netzwerkflexibilität und -kompatibilität zu erhöhen.

Warum sollten Sie sich für 800G-Optik entscheiden?

1. Kostenreduzierung: 800G-Optiken können Kosten auf optischer und Systemebene einsparen, z. B. durch die Reduzierung des Einsatzes von Glasfasern, die Verringerung der Anzahl optischer Module und die Verbesserung der Integration und Zuverlässigkeit des Systems. Darüber hinaus können optische 800G-Geräte auch die vorhandene 100G- und 400G-Technologie und -Ausrüstung nutzen, um die Kosten für Forschung, Entwicklung und Produktion zu senken.

2. Reduzierter Stromverbrauch: Mit optischen 800G-Geräten können Energieeinsparungen auf optischer und Systemebene erzielt werden, z. B. durch die Verwendung effizienterer Modulationsformate, die Optimierung des Schaltungsdesigns und die Reduzierung der Leistungsdichte. Laut einer Studie ist der Stromverbrauch von optischen 800G-Modulen etwa 30 % niedriger als der von 400G optische Module.

3. Höhere Dichte: 800G-Optiken können die Übertragungsdichte des Netzwerks erhöhen, um den hohen Bandbreitenbedarf in Szenarien wie Rechenzentren und Cloud Computing zu decken. Beispielsweise können optische 800G-Module eine Übertragungsrate von 800 Gbit/s pro Wellenlänge realisieren, was acht 100 Gbit/s oder zwei 400 Gbit/s entspricht. Dies kann die Auslastungsrate von Switch-Chips verbessern und mit der Switch-Chip-Roadmap Schritt halten.

800G-Breakout-Anwendungen

1. Die 800G-Breakout-Technologie ermöglicht effiziente Kombinationen mehrerer Anwendungsfälle, unterstützt Aggregation und Shuffle, verbessert die Fehlertoleranz und Flexibilität des Netzwerks und erhöht gleichzeitig die Anzahl der Ports und die Bandbreite des Switches.

2. Die 800G-zu-Dual-400G-DR4/FR4/LR4/ER4-Breakout-Technologie ermöglicht die Verbindung zwischen zwei optischen 400G-Modulen, deckt unterschiedliche Übertragungsentfernungen und Szenarien ab und reduziert Kosten und Komplexität durch den Einsatz von Dual LC, Dual Mini-LC oder Dual MPO gängige Glasfaseranschlüsse.

3. 800G DR8 Mit der Breakout-Technologie kann ein optisches 800G-Modul mithilfe von Octal SN/MDC, einem neuen Typ ultrakompakter Steckverbinder, in acht optische 100G-DR-Module zerlegt werden, um eine Glasfaserverkabelung mit hoher Dichte zu erreichen, um den hohen Verkehrsbedarf von Rechenzentren zu decken.

200G Lambda-Optik

200G Lambda ist eine aufstrebende optische Übertragungstechnologie, die eine Datenrate von 200 Gbit/s pro Wellenlänge auf einer einzelnen Faser erreichen kann, was folgende Vorteile gegenüber der herkömmlichen 100G-Technologie mit mehreren Wellenlängen bietet:

1. Geringerer Stromverbrauch pro Bit: Die 200G-Lambda-Technologie spart 20 bis 30 % des Stromverbrauchs, da sie nur einen Laser und einen optischen Empfänger erfordert, im Gegensatz zu vier Lasern und vier optischen Empfängern für die 100G-Technologie mit mehreren Wellenlängen. Darüber hinaus reduziert die 200G-Lambda-Technologie den Stromverbrauch, indem sie die Schaltungskomplexität und den Signalverarbeitungsaufwand reduziert.

2. Reduzierte Kosten pro Bit: Die 200G-Lambda-Technologie kann die Kosten pro Bit um 50 % senken, da sie die Anzahl und Kosten von Lasern und Glasfaserabschlüssen sowie die Anzahl und Kosten von optischen Modulen und Glasfaserverbindungen reduziert. Darüber hinaus kann die 200G-Lambda-Technologie die vorhandene 100G-Technologie und -Ausrüstung nutzen und so die Kosten für Forschung, Entwicklung und Produktion senken.

3. Die beste Wahl für 200G-SerDes in der Zukunft: SerDes sind Schaltkreise, die serielle Daten in parallele Daten oder parallele Daten in serielle Daten umwandeln und eine Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation zwischen dem Switch-Chip und dem optischen Modul durchführen. Die 200G-Lambda-Technologie erfordert nur einen 200G-SerDes-Kanal für die Datenübertragung mit 200 Gbit/s, während die Multiwellenlängen-100G-Technologie vier 100G-SerDes-Kanäle benötigt, um die gleiche Datenübertragung zu realisieren.

Aktueller Status von 200G Lambda

1. Die technische Machbarkeit wurde für eine Vielzahl optischer Technologien wie EML und SiPh nachgewiesen.

2. Es müssen neue FEC- und optische Spezifikationen für die 200G-Lambda-Spezifikation finalisiert werden.

Notwendigkeit einer herstellerübergreifenden 200G-Lambda-Spezifikation, um die weitere Implementierung von 200G-Lambda-Getrieben zu ermöglichen. Die Einführung von 200G Lambda wird im Jahr 2024 in großem Umfang beginnen.

1.6T steckbares optisches Transceiver-Modul

Technologie-Roadmap für steckbare optische Module

Das 1.6T-OSFP (8x200G-Kanäle) ist ein optisches Hochgeschwindigkeitsmodul, das acht 200G-Kanäle optischer Signale auf einer einzigen OSFP-Schnittstelle bereitstellt, um eine Gesamtbandbreite von 1.6 Tbit/s zu erreichen. Das Modul ist für den Einsatz in einem breiten Anwendungsspektrum konzipiert, beispielsweise im Bereich der optischen Faseroptik. Dieses optische Modul nutzt die PAM4-Modulationstechnologie, die 50 G elektrische Signale pro Kanal verwendet, um 100 G optische Signale anzusteuern. Um die elektrische Leistung bei 200G/Kanal sicherzustellen, hat die OSFP MSA 200G-Arbeitsgruppe im Oktober 2020 die Abmessungen und elektrischen Spezifikationen der OSFP-Schnittstelle verfeinert, wodurch das optische 1.6T-OSFP-Modul vollständig mit dem optischen 800G-OSFP-Modul kompatibel ist. Diese Kompatibilität bietet mehr Flexibilität und Skalierbarkeit für Rechenzentrumsnetzwerke. In Verbindung mit 200G-SerDes-Switch-Chips können optische 1.6T-OSFP-Module mithilfe der 200G-SerDes-Technologie direkt an Switch-Chips angeschlossen werden, ohne dass zusätzliche Konverter oder Adapter erforderlich sind. Dies reduziert die Netzwerkkosten und den Stromverbrauch und verbessert die Netzwerkeffizienz. Es wird erwartet, dass 200G-SerDes-Switch-Chips bis 2025 zur Mainstream-Wahl für Rechenzentrumsnetzwerke werden.

OSFP

Oktaler kleiner Formfaktor, steckbar, XD = Extra Dense

Da die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung in Rechenzentrumsnetzwerken weiter wächst, besteht ein starkes Interesse an optischen 1.6T-Modulen. In Kombination mit einem 51.2-T-Switch-Chip kann das optische 1.6-T-Modul eine Switch-Dichte von 51.2 T in einer 1-HE-Linecard oder einem festen Gehäuse erreichen und so die Kosten auf Systemebene drastisch senken. Dieser Switch-Chip nutzt die 100G-SerDes-Technologie, was bedeutet, dass jeder Kanal 100 Gbit/s an Daten übertragen kann. Diese SerDes-Technologie hat sich zu einer gängigen Wahl auf dem Markt entwickelt und es wird erwartet, dass zwischen 100 und 2023 weitere Switch-Chips die 2027G-SerDes-Technologie nutzen werden.

OSFP-XD (Ultra High Density) ist ein neuartiges optisches Modul mit folgenden Merkmalen:

1. Es unterstützt 16 elektrische Kanäle, von denen jeder 100 G oder 200 G erreichen kann, was zu einer Gesamtdatenrate von 1.6 T oder 3.2 T führt.

2. Es verfügt über ein effizientes Energiemanagement und benötigt nur 33 W Leistung, um eine Vielzahl optischer Lösungen zu unterstützen, darunter Singlemode-Glasfaser, Multimode-Glasfaser und aktive Glasfaserkabel.

3. Es verfügt über ein hochdichtes Gehäusedesign mit demselben Formfaktor wie das OSFP (800-Kanal-Small-Form-Factor-Pluggable), jedoch mit Steckverbindern und Kabelbaugruppen mit höherer Dichte. Dadurch ist es mit gestapelten XNUMXG-OSFPs kompatibel, was die Marktakzeptanz und -bereitstellung erheblich vereinfacht.

4. Es verfügt über eine flexible Kompatibilität, da es mit gestapeltem OSFP (Zweikanal-Small-Form-Factor-Pluggable) auf einem einzigen Motherboard koexistieren kann, was mehr Konfigurationsoptionen und Erweiterungsmöglichkeiten bietet.

Das Differenzen of 1.6T Optisches OSFP-Modul

Vorteile von QSFP-XD

1. Es ist die dichteste steckbare optische Lösung auf dem heutigen Markt und unterstützt 16 elektrische Kanäle, von denen jeder 100 G oder 200 G erreichen kann, was zu einer Gesamtdatenrate von 1.6 T oder 3.2 T führt. Es hat den gleichen Formfaktor wie das OSFP (Octal Small Form Factor Pluggable), verwendet jedoch eine Stecker- und Kabelbaugruppe mit höherer Dichte. Dadurch ist es mit gestapeltem 800G-OSFP kompatibel, was die Marktakzeptanz und -bereitstellung erheblich vereinfacht. Es erfüllt zukünftige Anforderungen an das Wachstum der Chipdichte und verbessert den Systemdurchsatz und die Effizienz.

2. Es unterstützt eine vollständige Palette optischer Technologien, einschließlich 100G Lamdba, 200G Lambda und Coherent, die an verschiedene Übertragungsentfernungen und Szenarien angepasst werden können. Es unterstützt Übertragungsentfernungen von bis zu 2 Kilometern bei einem Temperaturbereich von 0–70 °C bei einem geringen Stromverbrauch von weniger als 23 W. Es ermöglicht eine schnelle, effiziente und äußerst zuverlässige Datenübertragung, um den Anforderungen von Rechenzentren, Cloud Computing, künstlicher Intelligenz und anderen Bereichen gerecht zu werden.

3. Es behält alle Vorteile eines steckbaren optischen Moduls bei, einschließlich Konfigurierbarkeit, Wartungsfreundlichkeit, technische Flexibilität und mehr. Darüber hinaus wird das bekannte Supply-Chain-Geschäftsmodell beibehalten, sodass Kunden die am besten geeigneten Produkte und Dienstleistungen von mehreren Anbietern auswählen können.

So reduzieren Sie den Stromverbrauch pro Bit

Verbesserung der Prozesstechnologie (TSMC)

Das 3NM-Verfahren erreicht bei IsoSpeed ​​fast die Hälfte der Leistungsreduzierung im Vergleich zum 7NM-Verfahren.

Leistungsentwicklung der steckbaren Optik

Obwohl der Stromverbrauch einzelner Module von 400 G auf 1.6 T steigt, sinkt der durchschnittliche Stromverbrauch pro Bit deutlich.

Möglichkeiten zur weiteren Reduzierung des Stromverbrauchs

1. Nutzen Sie 3-nm- und 2-nm-DSP-Technologien: Diese fortschrittlichen digitalen Logiktechnologien können die Größe und den Widerstand von Transistoren drastisch reduzieren und dadurch die Schaltverluste und den statischen Stromverbrauch der Schaltung reduzieren.

2. Entwerfen von SerDes-Schnittstellen mit geringem Stromverbrauch: SerDes sind Schnittstellen, die serielle Daten in parallele Daten umwandeln und häufig für Hochgeschwindigkeitskommunikation verwendet werden. Wir können den Stromverbrauch von SerDes reduzieren, indem wir die Codierung, Modulation und Filterung optimieren und gleichzeitig die Signalintegrität und -zuverlässigkeit gewährleisten.

3. Verwendet optische Modulatoren mit geringem Stromverbrauch: Optische Modulatoren sind Geräte, die Photonik zur Steuerung optischer Signale nutzen und häufig in der Glasfaserkommunikation verwendet werden. Wir können die Antriebsspannung und den Einfügungsverlust optischer Modulatoren reduzieren, indem wir den optischen Wellenleiter, die Elektroden und die Materialien verbessern, um den Stromverbrauch zu senken.

Für die Zukunft gibt es noch viel Raum für Innovationen, einschließlich der Realisierung der 200G-Einzelwellenlängenübertragung, der Entwicklung von Lasern mit besserer Leistung und der Reduzierung von Verlusten im Kopplungs- und Modulationsprozess. Das Ziel für die nächsten fünf Jahre besteht darin, den Energieverbrauch auf 5 bis 6 pJ pro Bit zu senken, was den Einsatz digitaler Signalprozessoren bei 2-nm-Prozessen erfordert, die Effizienz von Lasern und Modulatoren verbessert und Kopplungsverluste zwischen Laser und Laser verringert Wellenleiter.

Alle Optiken profitieren von einem reduzierten Stromverbrauch. Verbesserungen der optischen Leistung sind weitgehend unabhängig vom Formfaktor.

Steckbare optische Module bieten einen reibungslosen Upgrade-Pfad für bestehende Großserienplattformen und ermöglichen es, dass Fortschritte in der Low-Power-Optik schnell und in großen Stückzahlen auf den Markt kommen.

Zusammenfassung des Stromverbrauchs

1. Der Stromverbrauch pro Bit für Switches sinkt erheblich, etwa um den Faktor 2 pro zwei Prozessgenerationen.

2. Der Stromverbrauch pro Bit für optische Module sinkt ebenfalls erheblich, etwa um den Faktor 2 pro zwei Prozessgenerationen.

3. Die Leistung pro optischem Modul nimmt zu, wobei die Kapazität von 400 G auf 800 G auf 1.6 T steigt.

4. Leistungsziele für 1.6T-Module: 20–25 W für Client-Optik, 25–30 W für DCI-Optik.

5. Robuster thermischer Formfaktor für 20–30 W erforderlich: OSFP bietet eine entsprechende Verpackung.

6. Weitere Leistungsreduzierung erforderlich: 3/2-nm-DSPs, Serdes mit geringerer Leistung und Modulatoren.

Analyse von CPO und Pluggable

CPO (Co-Packaged Optics) ist eine Technologie, die einen optischen Transceiver oder eine optische Engine eng mit einem Schaltchip integriert, wodurch die Geschwindigkeit und Dichte der Datenübertragung erhöht und Stromverbrauch und Latenz reduziert werden können. Momentan, CPO Die Technologie hat in den Laboren von Unternehmen wie Facebook und Microsoft einige Ergebnisse gezeigt und wird auch von Branchenorganisationen wie OIF (Optical Interconnect Forum) unterstützt und gefördert. Allerdings steht CPO immer noch vor einer beträchtlichen Anzahl von Herausforderungen, wie etwa der Steigerung der Leistung und Effizienz von Lasern, der Reduzierung von Faser- und Steckerverlusten und -ausfällen, der Sicherstellung der Herstellbarkeit, Reparaturfähigkeit und Wartbarkeit von CPO-Modulen usw wie man die Kosten und den Stromverbrauch kontrolliert usw.

VSR ersetzt XSR SERDES. Chiphersteller haben ihren Switch-Chips einen VSR-SERDES-Modus mit geringem Stromverbrauch hinzugefügt, der es dem 51.2T-Switch-Chip ermöglicht, im Vergleich zu LR SERDES eine Energieeinsparung von 180 W bei Steckdosen zu erzielen.

VSR hat für den 180T-Switch etwa 51.2 W eingespart

VSR gleicht die Wettbewerbsbedingungen aus. Während die Stromeinsparung von 180 W eine gute Nachricht ist, kann dieselbe VSR SERDES-Schnittstelle mit geringem Stromverbrauch mit steckbaren optischen Modulen verwendet werden.

Das Ergebnis: CPOs und steckbare Optikmodule verfügen über die gleiche elektrische Verbindungsleistung.

CPO + ELS erhöht die Leistung. Die externe Lichtquelle (ELS) des CPO führt zu zusätzlichen optischen Kopplungsverlusten, die die Laserleistung im Vergleich zu herkömmlichen steckbaren optischen Modulen erhöhen, wodurch das CPO+ELS eine höhere Leistung als steckbare optische Module aufweist.

Steckbare Module verfügen über einen optischen Anschluss und CPO-Module über vier optische Anschlüsse, was zu erheblichen zusätzlichen optischen Verlusten aufgrund zusätzlicher Steckersplitterverluste und Polarisation führt.

Kopplungsverluste vs. steckbar

1. Zusätzliche Steckerverluste: 1.2–1.6 dB

Für ELS werden höchstwahrscheinlich erweiterte Balkenanschlüsse benötigt.

2. Splitter- und Polarisationsverluste: 0.6–1.2 dB

Bei einer großen Anzahl von Fasern ist es sehr schwierig, diese zu minimieren.

6. Gesamte zusätzliche Kopplungsverluste: 1.8–3 dB

Erhöht die Laserleistung um 50 % bis 100 %.

Weitere Leistungsreduzierung erforderlich

1. Direktantrieb reduziert den Stromverbrauch durch Eliminierung von DSP

Es ist eine Herausforderung, daraus einen Multi-Vendor-Standard zu machen.

2. Es ist sehr schwierig, die Laserleistung mit ELS zu reduzieren

Zusätzliche Kopplungsverluste erhöhen die Laserleistung.

3. Alternative Modulationstechnologien

Silizium-Photonik-Modulatoren weisen eine hohe Einfügungsdämpfung auf.

CPO-Zusammenfassung

1. CPO ist für 51.2T- oder 102.4T-Switches nicht erforderlich

Das Problem wurde mit Pluggable Optics gelöst.

2. Bei 800G- und 1600G-steckbaren Optiken besteht kein Risiko

Keine Design-, Wartungs- oder Herstellbarkeitsprobleme.

3. Heutige CPOs sparen nicht Power over Pluggable

Die vielversprechendste zukünftige Ausrichtung für CPO ist der Direktantrieb.