Mit dem rasanten Aufstieg großer KI-Modelle benötigen moderne Rechenzentren schnellere und bandbreitenstärkere Informationsübertragungstechnologien, um das ständig wachsende Datenvolumen zu bewältigen. Die Glasfaserkommunikation ist aufgrund ihrer einzigartigen hohen Kapazität und geringen Verluste zur idealen Übertragungsmethode für moderne Rechenzentren geworden. Das optische Transceivermodul ist als Kernkomponente von Glasfaserkommunikationssystemen für die Umwandlung optischer und elektrischer Signale verantwortlich. Seine Leistung wirkt sich direkt auf die Stabilität und Effizienz des gesamten Kommunikationssystems aus. Daher zielt FiberMall darauf ab, die grundlegenden Prinzipien des optischen Transceivermoduls mit 800 Gbit/s zu untersuchen und seine Leistung in praktischen Anwendungen durch Entwicklung und Tests zu validieren.
FiberMall stellt zunächst die Grundkomponenten des optischen 800-Gbit/s-Transceivermoduls vor, darunter die Sendereinheit, die Empfängereinheit, die Verwaltungseinheit und den digitalen Verarbeitungschip. Anschließend werden die im Modul verwendeten fortschrittlichen Technologien und Designkonzepte erläutert, um eine stabile Leistung auch unter Hochgeschwindigkeitsübertragungsbedingungen sicherzustellen. Anschließend bewerten wir durch Entwicklung und Prüfung des optischen 800G-OSFP-2xDR4-Transceivermoduls, ob seine wichtigsten Leistungsindikatoren die erwarteten Anforderungen erfüllen. Durch strenge Entwicklungs- und Testprozesse haben wir festgestellt, dass das optische 800-Gbit/s-Transceivermodul alle erwarteten Leistungskriterien erfüllt. Seine herausragende Leistung macht es für die aktuelle Umgebung gut geeignet.
In den letzten Jahren hat ChatGPT eine phänomenale Popularität erlangt. Seit seiner Einführung ist die Benutzerbasis von ChatGPT stark angestiegen und umfasst über 100 Millionen aktive Benutzer pro Monat. Damit ist es eine der am schnellsten wachsenden Verbraucheranwendungen der Geschichte. Die Popularität von ChatGPT geht über die Benutzerzahlen hinaus – es wird weithin angewendet und ist einflussreich. Es dient verschiedenen Bereichen, wie intelligentem Kundenservice, virtuellen Assistenten und Smart Homes, und bietet bequeme und effiziente Dienste. Darüber hinaus hat ChatGPT die Aufmerksamkeit vieler Unternehmen und Entwickler auf sich gezogen, die es in verschiedenen Bereichen weithin einsetzen. Der Branchenkonsens erkennt ChatGPT als eines der KI-Modelle an, das den Turing-Test am wahrscheinlichsten bestehen wird, was seine Wirkung auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz weiter verstärkt.
Vor diesem Hintergrund kommt das optische Transceivermodul OSFP 800xDR2 mit 4 Gbit/s auf den Markt, das der Industrie eine einkanalige parallele Übertragungslösung mit 100 Gbit/s bietet. Das OSFP 2xDR4-Paket ist ein steckbares optisches Modul mit acht Kanälen und kleinem Formfaktor, das eine höhere Integration bei gleichbleibender Leistung bei gleichem Volumen erreicht. Dieses Modul ermöglicht höhere Übertragungsraten, ohne seine physische Größe zu erhöhen.
Das optische Transceivermodul 800G OSFP 2xDR4 bietet sowohl eine einkanalige 100Gbit/s-Parallelübertragung als auch eine Achtkanalübertragung. Im Vergleich zur vierkanaligen 100Gbit/s-Übertragung optischer Module mit demselben Formfaktor wird eine Verdoppelung der Übertragungsrate erreicht. Dank dieser innovativen Technologie bietet das optische Modul eine höhere Datenübertragungseffizienz bei gleichem Volumen und reduziert so die Kosten für die Netzwerkbandbreite.
Die Einführung des optischen Transceivermoduls 800G OSFP 2xDR4 bietet robuste Unterstützung für die rasante Entwicklung von Cloud Computing und Big Data. Mit einem kleineren Formfaktor, einer höheren Übertragungsrate, einem geringeren Stromverbrauch und einer höheren Zuverlässigkeit erfüllt dieses Modul die Anforderungen der modernen Netzwerkkommunikation. Seine Anwendung wird zu einer verbesserten Nutzung der Netzwerkbandbreite und geringeren Gesamtkosten beitragen sowie Aktualisierungen und technologische Innovationen in Glasfaserkommunikationssystemen vorantreiben.
Design optischer Module
Modul Funktionaler Rahmen
Zu den Kernkomponenten des optischen 800-Gbit/s-OSFP-2xDR4-Transceivermoduls gehören der Digital Signal Processing (DSP)-Chip, die Receiving Optical Sub-Assembly (ROSA), die Transmitting Optical Sub-Assembly (TOSA) und die Microprogrammed Control Unit (MCU). Diese Komponenten arbeiten zusammen, um eine Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung innerhalb des Moduls zu erreichen.
Chip zur digitalen Hochgeschwindigkeitssignalverarbeitung
Im optischen Modul spielt der Hochleistungs-DSP eine entscheidende Rolle. Er extrahiert und stellt digitale Taktinformationen aus dem Ausgangssignal des Schalters wieder her und eliminiert so Rauschen. Darüber hinaus führt der DSP eine Dispersionskompensation und eine nichtlineare Interferenzentfernung am empfangenen optischen Signal durch, um genaue und unverzerrte Daten sicherzustellen. Diese Komponente nimmt auch am Kommunikationsprozess zwischen den elektrischen und optischen Schnittstellen des optischen Moduls teil und erleichtert die Datenkonvertierung und -verarbeitung. Auf der Empfängerseite verfügt der DSP über eine adaptive lineare Entzerrung, die Amplitudenunterschiede aufgrund von Signalfrequenzschwankungen kompensiert und so die Effizienz und Qualität der Datenübertragung weiter verbessert.
Die Digital Signal Processing (DSP)-Technologie spielt in optischen Modulen eine entscheidende Rolle. Sie ist eng mit dem „Golden Finger“ verbunden, der als Kontaktpunkt für die Datenübertragung dient, aber auch mit Schlüsselkomponenten wie dem Treiber und dem Transimpedanzverstärker (TIA). Gemeinsam sorgen sie für den effizienten Betrieb optischer Module.
Signalumwandlung und -verarbeitung:
Die DSP-Technologie übernimmt in erster Linie die Signalumwandlung und -verarbeitung in optischen Modulen. Während optische Signale das Modul durchlaufen, wandelt DSP analoge Signale in ein digitales Format um und führt die notwendige Verarbeitung durch, um die Signalqualität und -integrität aufrechtzuerhalten. Hochwertige Signale sind für eine genaue und zuverlässige Datenübertragung unerlässlich.
Golden Finger Verbindung:
Die Verbindung zwischen DSP und Golden Finger ist für die Datenübertragung von entscheidender Bedeutung. Der Golden Finger fungiert als physischer Kontaktpunkt und überträgt elektrische Signale vom optischen Modul an andere Geräte (wie Computer oder Netzwerkgeräte). DSP sorgt für minimale Fehler und Störungen in den über den Golden Finger übertragenen Signalen und verbessert so die Effizienz und Stabilität der Datenübertragung.
Zusammenarbeit der Fahrer:
Die Verbindung des DSP mit dem Treiber gewährleistet eine effektive Signalübertragung vom optischen Modul. Der Treiber steuert den Laser und passt seine Intensität und Frequenz basierend auf DSP-Anweisungen an, um sich an verschiedene Übertragungsanforderungen anzupassen. Diese enge Zusammenarbeit optimiert die Sendeleistung des Moduls und verbessert die Signalqualität und Übertragungsdistanz.
TIA-Link für den Empfang:
Die Verbindung zwischen DSP und Transimpedanzverstärker (TIA) ist für die Signalverarbeitung auf der Empfangsseite von entscheidender Bedeutung. Der TIA verstärkt die von der Faser empfangenen optischen Signale und wandelt sie in elektrische Signale um. DSP verarbeitet und analysiert die Ausgabe des TIA weiter, um einen genauen Datenempfang sicherzustellen.
Darüber hinaus kann die Auswirkung der Leitungsfilterung auf Niederfrequenzsignale die elektronische Informationsübertragung stören. Wenn Stromsignale plötzlichen Änderungen unterliegen, kann die Niederfrequenzfilterung der Leitung die von DSP empfangene Spannungsdifferenz schwächen und sich der Entscheidungsschwelle nähern. Dies kann zu höheren Fehlerraten und sogar zu Unterbrechungen des Netzwerkdienstes führen. Um dieses Problem zu lösen, verwendet DSP Preemphasis-Techniken, die ausreichende Entscheidungsschwellen bei der Signalbeurteilung auf der Switch-Seite sicherstellen, um Fehlbeurteilungen zu vermeiden.
Emissionseinheit
In der optischen Emissionseinheit fungiert der Lasertreiberchip als elektrischer Schalter und liefert den für den normalen Betrieb des Laserchips erforderlichen Schwellenstrom. Um eine stabile Leistung des Laserchips zu gewährleisten, muss der Treiberstrom den Schwellenstrom überschreiten.
Aufgrund der Eigenschaften von Halbleitern steigt der Schwellenstrom des Laserchips mit steigender Temperatur allmählich an. Um den ordnungsgemäßen Betrieb des Laserchips bei höheren Temperaturen aufrechtzuerhalten, muss der dem Lasertreiberchip zugeführte Treiberstrom entsprechend angepasst werden.
Echtzeit-Temperaturüberwachung durch Analog-Digital-Wandler in der Überwachungseinheit.
Durch Anpassen der Temperaturkompensationsschaltung wird der Antriebsstrom des Lasertreiberchips erhöht, wodurch eine stabile optische Ausgangsleistung gewährleistet wird. Dieser Ansatz gewährleistet die Stabilität des Laserchips auch bei unterschiedlichen Temperaturen und verbessert die Gesamteffizienz und Stabilität der optischen Emissionseinheit.
Empfängereinheit
Die Schnittstelle des optischen Transceivermoduls besteht hauptsächlich aus einem lichtempfindlichen Sensor (Pin), Treiberkomponenten und Peripherieschaltungen. Der Betriebsmechanismus des lichtempfindlichen Sensors besteht darin, Strom zu erzeugen und gleichzeitig das Eingangsrauschen zu minimieren. Die Stärke des Stromsignals hängt von der Reaktionsrate und den Kopplungstechniken des Detektors ab.
Monitoring Unit
Die integrierte MCU (Microcontroller Unit) im optischen Transceivermodul ist für die Überwachung und Verwaltung des Betriebsstatus des Moduls verantwortlich. Mithilfe des I2C-Busprotokolls kann die MCU Register optoelektronischer Chips lesen und in diese schreiben und den Zustand jedes Chips anpassen und überwachen. Darüber hinaus enthält die MCU einen Analog-Digital-Wandler, um Statusinformationen von verschiedenen internen Chips im Modul zu sammeln und zu analysieren.
Die Überwachungs- und Verwaltungseinheit sorgt für einen stabilen Betrieb des optischen Transceivermoduls. Durch die kontinuierliche Überwachung wichtiger Parameter stellt sie sicher, dass das Modul optimal funktioniert und so die Stabilität und Zuverlässigkeit des gesamten Kommunikationssystems gewährleistet bleibt.
Der interne Aufbau des optischen Moduls ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Analyse der Testergebnisse optischer Module
Test Umgebung
Die Leistungstests des optischen Transceivermoduls konzentrieren sich hauptsächlich auf die Sender- und Empfängereinheiten. Am Senderende wird das optische Signal über Glasfaser direkt mit einem Augendiagramminstrument verbunden. Am Empfängerende verwenden wir eine Referenzlichtquelle (Goldstandard), die optische Signale über acht Kanäle erzeugt. Diese Signale werden, nachdem sie einen einstellbaren optischen Dämpfer durchlaufen haben, an das Empfangsende des zu testenden Moduls geleitet. Wir passen die Dämpfereinstellungen nach Bedarf an, um die optische Intensität zu steuern, die den Empfänger des Zielmoduls erreicht. Sobald eine Fehlerrate von 2.4E-4 erkannt wird, dient die entsprechende optische Intensität als unser Empfindlichkeitsmaß.
Parameter und Ergebnisse der Senderprüfung
Beim Testen von Sendern werden verschiedene Aspekte berücksichtigt: durchschnittliche optische Leistung, Extinktionsverhältnis, Linearität und Transmitter Dispersion Eye Closure (TDECQ).
Durchschnittliche optische Leistung: Dieser Parameter stellt die durchschnittliche optische Leistung dar, die vom optischen Modul abgegeben wird. Sie wird normalerweise in Milliwatt (mW), Mikrowatt (μW) oder Dezibelmilliwatt (dBm) gemessen. Die durchschnittliche optische Leistung spiegelt die Signalstärke wider und ist eine wichtige Leistungskennzahl für optische Module.
Extinktionsverhältnis: Das Extinktionsverhältnis bezieht sich auf das Verhältnis der optischen Leistung zwischen den übertragenen „1“- und „0“-Signalen. Im Idealfall sollte das Extinktionsverhältnis unendlich sein, was auf einen signifikanten Leistungsunterschied zwischen den beiden Signalen hinweist und es dem Empfänger ermöglicht, sie leicht zu unterscheiden. Ein schlechtes Extinktionsverhältnis kann zu Datendemodulationsfehlern führen.
Transmitter Dispersion Eye Closure (TDECQ): Dieser Parameter bezieht sich auf den Dispersionseffekt auf optische Signale während der Übertragung. Dispersion führt dazu, dass sich optische Impulse am Empfängerende ausbreiten, was die Signalklarheit und Lesbarkeit verringert. TDECQ beschreibt die Fähigkeit und Leistung des Eye Closure unter verschiedenen Dispersionsbedingungen. Ein gut funktionierendes TDECQ stellt sicher, dass die Signalqualität während der Fernübertragung hoch bleibt. Diese Parameter sind entscheidend für die Bewertung der Leistung und Qualität optischer Module und gewährleisten eine zuverlässige und effiziente Datenübertragung. Die genaue Messung und Bewertung dieser Parameter während des Tests trägt dazu bei, Designanforderungen und Anwendungsbedürfnisse zu erfüllen.
Gemäß den Protokollspezifikationen IEEE802.3df_D3p1 müssen die optischen Augendiagramme am Senderende die folgenden Kriterien erfüllen, wenn die Einzelkanalrate des Moduls auf 53.125 GBd/s eingestellt ist:
Die quaternäre Transmitter Dispersion Eye Closure (TDECQ) sollte weniger als 3.4 dB betragen.
Das Extinktionsverhältnis sollte größer als 3.5 dB sein.
Die durchschnittliche optische Leistung sollte im Bereich zwischen 2.9 und 3.4 dBm liegen.
Während des Experiments testeten wir ein einzelnes optisches Augendiagramm am Senderende mit einem 0-Bit-Zufallssequenzcode mit kurzer Intensität als Standardkonfiguration für den Fehleranalysator. Die Temperatur des Moduls wurde bei 25 °C, 70 °C und 1 °C gehalten, um die Leistung unter verschiedenen Bedingungen zu bewerten. Detaillierte Daten für die optischen Augendiagramme jedes Kanals bei unterschiedlichen Temperaturen finden Sie in den Tabellen 2, 3 und XNUMX.
Basierend auf diesen Parametern haben wir bestätigt, dass die Parameter des Sender-Augendiagramms des optischen Moduls den vertraglichen Temperaturanforderungen entsprechen. Die Messergebnisse sind in den Tabellen 1, 2 und 3 aufgeführt. Darüber hinaus erfüllen alle Parameter für dieses optische Modul derzeit die Anforderungen des Industrieprotokolls mit einem erheblichen Abstand, was auf eine überlegene Produktleistung hinweist.
Ergebnisse des Empfängertests
Gemäß dem IEEE802.3df_D3p1-Standard muss das empfangene Signal unter -53.125 dBm liegen, wenn das Modul eine Einzelkanalgeschwindigkeit von 4.3 GBd/s erreicht, um die Empfindlichkeitsanforderungen zu erfüllen. Wir haben die Empfängerempfindlichkeit des Testmoduls mithilfe gut charakterisierter optischer Transceiver und einer externen Lichtquelle mit guten optischen Augendiagrammen bewertet.
Durch Anpassen des variablen optischen Dämpfungsglieds zur Steuerung der optischen Ausgangssignalleistung haben wir überprüft, dass die acht Kanäle des optischen Moduls OSFP 800xDR2 mit 4 Gbit/s die Protokollanforderungen hinsichtlich der Empfindlichkeit unter drei Temperaturbedingungen erfüllen und dass die Leistungsparameter einen großen Spielraum im Vergleich zu den Industrienormen aufweisen.
Sumarmig
Da KI-Anwendungen wie ChatGPT immer weiter wachsen, steigen auch die Anforderungen an die Datenübertragung rapide. Optische Module spielen in Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsnetzen in Rechenzentren eine immer wichtigere Rolle. Diese Module sind Schlüsselkomponenten für eine effiziente Datenübertragung und ihre Leistung und Zuverlässigkeit sind für den Rechenzentrumsbetrieb von entscheidender Bedeutung.
Erstens steigt die Nachfrage nach optischen Modulen stetig, da Rechenzentren immer größer werden und der Datenverkehr zunimmt. Die Leistungskennzahlen optischer Module wie Übertragungsrate, Entfernung und Zuverlässigkeit wirken sich erheblich auf die Gesamtleistung von Rechenzentren aus. Mit dem steigenden Bedarf an Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung mit hoher Kapazität in modernen Rechenzentren werden daher auch die Leistungsanforderungen an optische Module strenger.
Zweitens steigen mit der Weiterentwicklung von KI-Anwendungen auch die Anforderungen an die Energieeffizienz optischer Module. Die wachsende Rechenleistung der KI führt zu einem höheren Energieverbrauch und veranlasst Hersteller, nach energiesparenden Lösungen zu suchen. Optische Module bieten als effiziente und energiesparende Datenübertragungsmethode erhebliche Vorteile bei der Reduzierung des Energieverbrauchs von Rechenzentren. Daher ist zu erwarten, dass mit der zunehmenden Verbreitung von KI-Anwendungen der Einsatz optischer Module in Rechenzentren weiter zunehmen wird.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass optische Module mit dem Erfolg von KI-Anwendungen wie ChatGPT für breitere Entwicklungsaussichten in optischen Hochgeschwindigkeitskommunikationsnetzen in Rechenzentren gerüstet sind. Da die Anforderungen an die Datenübertragung weiter steigen und die Technologie voranschreitet, werden sich der Anwendungsbereich und die Leistungsanforderungen optischer Module weiterentwickeln.
Das optische Transceivermodul mit 800 Gbit/s spielt eine entscheidende Rolle in optischen Hochgeschwindigkeitskommunikationsgeräten für Rechenzentren, Cloud-Computing und Netzwerkkommunikation. Hier sind einige Hauptmerkmale des optischen Transceivermoduls mit 800 Gbit/s:
Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungsfunktion: Das optische Transceivermodul mit 800 Gbit/s bietet Datenübertragungsraten von bis zu 800 Gbit/s, eine deutliche Verbesserung gegenüber vorhandenen Modulen mit 400 Gbit/s und 100 Gbit/s. Dies entspricht den wachsenden Anforderungen an hohe Bandbreite und groß angelegte Datenübertragung in modernen Rechenzentren.
Fortschrittliche Modulationstechniken: Das optische 800-Gbit/s-Modul nutzt die PAM4-Technologie (Pulsamplitudenmodulation), die vier verschiedene Spannungspegel innerhalb eines Signalzyklus überträgt und so höhere Datenübertragungsraten und eine höhere Effizienz erreicht.
Vielseitige Anwendungsszenarien: Das optische 800-Gbit/s-Modul eignet sich für verschiedene Anwendungsszenarien, darunter Übertragungen im Nahbereich (SR), Mittelbereich (DR/FR/LR) und Langstreckenbereich (ER/ZR), und erfüllt die Verbindungsanforderungen verschiedener Netzwerkarchitekturen und Rechenzentren.
Energiesparendes Design: Bei der Entwicklung des optischen 800-Gbit/s-Moduls wird die Energieeffizienz berücksichtigt. Durch den Einsatz von optoelektronischen Geräten und Schaltungsdesigns mit geringem Stromverbrauch wird der Gesamtenergieverbrauch gesenkt und die Effizienz verbessert.
Hohe Integration und kompakte Größe: Das Modul verwendet ein hochintegriertes Design, beispielsweise die Chip-on-Board-Technologie (COB), bei der mehrere optoelektronische Geräte in einem kleinen Modul integriert werden, um die Bereitstellung zu vereinfachen.
Robuste Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC): Um eine zuverlässige Datenübertragung zu gewährleisten, enthält das optische 800-Gbit/s-Modul normalerweise leistungsstarke FEC-Algorithmen wie KP4 FEC, die die Empfängerempfindlichkeit verbessern und die Bitfehlerrate (BER) reduzieren.
Kompatibilität und Standardisierung: Das optische 800-Gbit/s-Modul entspricht Industriestandards wie QSFP-DD und OSFP MSA und gewährleistet so Kompatibilität und Interoperabilität mit anderen Geräten und fördert gleichzeitig die Branchenintegrität.
Unterstützung für verschiedene Signale und Testfunktionen: Das Modul unterstützt mehrere Signalformate, wie PAM4 oder NRZ, und umfasst Funktionen wie Loopback, Breakout, PRBS und SNR-Tests zur Netzwerkfehlerbehebung und -wartung.
Zusammen machen diese Funktionen das optische 800-GBit/s-Transceivermodul zu einer entscheidenden Technologie, um den zukünftigen Anforderungen in Rechenzentren und Hochgeschwindigkeitsnetzwerken gerecht zu werden.
Derzeit nimmt der globale Einfluss der optischen Technologie immer mehr zu, und die Forschung und Entwicklung optischer Geräte unterliegt raschen Fortschritten und Veränderungen. Auch der Bereich der Entwicklung optischer Module erfährt ein rasantes Wachstum.
Durch die rasante Weiterentwicklung der optischen Modultechnologie sind die Datenübertragungsraten von 200 Gbit/s auf 400 Gbit/s gestiegen und bewegen sich nun in Richtung 800 Gbit/s. Diese rasante Entwicklung bringt beispiellose Effizienz und Komfort in Rechenzentren. Als Kernkomponente optischer 800-Gbit/s-Kommunikationsnetzwerke kann die Bedeutung des optischen 800-Gbit/s-Moduls in optischen Kommunikationssystemen von Rechenzentren nicht übersehen werden. Detaillierte Erklärungen seiner grundlegenden Konstruktions- und Betriebsprinzipien sowie empirische Tests zeigen, dass es die relevanten technischen Spezifikationen für einen effektiven Betrieb in einer optischen 800-Gbit/s-Kommunikationsnetzwerkumgebung vollständig erfüllt.
Unser vorgeschlagenes optisches Modul vom Typ OSFP 2xDR4 mit 800 Gbit/s weist klare Vorteile in Bezug auf Wirtschaftlichkeit und Energieverbrauch auf. Mit der Weiterentwicklung der Herstellungsverfahren für optische Komponenten und der Kommunikationstechnologie dürfte dieses Modul in Zukunft in großen Glasfaserkommunikationsnetzwerken für Rechenzentren ein noch größeres Marktpotenzial haben.
