800G OSFP/QSFP-DD-Technologieentwicklung basierend auf Si-basierter optoelektronischer Technologie

Abstrakt

Der steigende Bandbreitenbedarf von Hyperscale-Rechenzentren treibt die Entwicklung von 800G OSFP/QSFP-DD voran. Die steckbaren Module der nächsten Generation werden höhere Baudraten, standardisierte Protokolle und erweiterte Integration nutzen, um eine 800G-Übertragung in kleinen Formfaktoren zu erreichen. Wichtige Funktionen wie 800-GbE-Unterstützung, mehrere Client-Tarife, interoperable Modi und geringer Stromverbrauch werden ihre Kommerzialisierung beschleunigen. Mit ausgereifter Silizium-Photonik-Technologie und dreidimensionaler Verpackungstechnologie wird erwartet, dass 800G OSFP/QSFP-DD im Jahr 2024 in großem Maßstab eingesetzt wird.

Einleitung

Das kontinuierliche Wachstum des Rechenzentrumsverkehrs treibt die Entwicklung höherer Kapazität und effizienterer optischer Verbindungstechnologien voran. 400G OSFP/QSFP-DD mit 60G-Baudratensignalen wurden in den letzten Jahren erfolgreich eingesetzt, aber der Schwerpunkt verlagert sich jetzt auf das 800G OSFP/QSFP-DD der nächsten Generation.

Es wird erwartet, dass Hyperscale-Rechenzentren den Übergang zu 800G OSFP/QSFP-DD vorantreiben und 800G-Ports für die Switch- und Router-Plattformen der nächsten Generation erfordern. Ähnlich wie in der 400G-Ära drängen Standardisierungsorganisationen auf die Harmonisierung von Parametern, um Interoperabilität und Skaleneffekte zwischen mehreren Anbietern sicherzustellen. Dazu gehört die Verdoppelung der Baudrate auf etwa 120 G Baud und die Erhöhung des Kanalabstands auf 150 GHz.

Fortschrittliche Technologien wie Siliziumphotonik, dreidimensionale Integration und Mixed-Signal-Elektronik ermöglichen die höheren Baudraten und Modulationsschemata, die für den 800G-Betrieb erforderlich sind. Aufbauend auf der Validierung von Silizium-basierten 400G-OSFP/QSFP-DD und leistungsoptimierte Module sind diese Technologien nun auf die Entwicklung steckbarer optischer 800G-Module in kleinen Formfaktoren wie QSFP-DD und OSFP anwendbar.

Hauptmerkmale wie 800GbE Unterstützung, mehrere Low-Rate-Clients, interoperable Modi, Produkte mit hoher Übertragungsleistung und geringer Stromverbrauch ermöglichen ihre Anwendung in verschiedenen Netzwerken. Mit der Konvergenz von Technologie und Standardisierung wird erwartet, dass 800G OSFP/QSFP-DD etwa im Jahr 2024 in großem Maßstab eingesetzt wird.

Harmonisierung optischer 800G-Standards

Branchenorganisationen wie OIF, Open ROADM und IEEE treiben die Harmonisierung der 800G-Standards voran, um die Interoperabilität zwischen mehreren Anbietern sicherzustellen. Dazu gehört die Standardisierung optischer 800G-Parameter, clientseitiger Protokolle und Modulverwaltungsschnittstellen.

In Bezug auf die optische Übertragung definiert das OIF 800ZR, eine interoperable kohärente 800G-DWDM-Lösung, die eine verstärkte Linkübertragung über 80 km unter Verwendung von Optik der Klasse 3 mit Signalen mit einer Baudrate von etwa 120 G und 16QAM-Modulation erreicht. Open ROADM spezifiziert außerdem einen erweiterten Leistungsmodus, der eine interoperable Implementierung von Probabilistic Constellation Shaping (PCS) zur Verbesserung des optischen Signal-Rausch-Verhältnisses mit einer Betriebsbaudrate von 130+ G Baud umfasst.

Abbildung 1. Verdoppelung der Baudrate und des Kanalabstands von Klasse 2 bei etwa 60+G Baud auf Klasse 3 bei etwa 120+G Baud (Quelle: Cisco)

Auf der Clientseite definiert IEEE 802.3ck die Spezifikationen der physikalischen Schicht für den 800-GbE-Betrieb über 100γ-Schnittstellen. OIF und Open ROADM unterstützen auch das Multiplexen von Clients mit niedrigeren Raten (z. B. 400 GbE und 100 GbE) über optische 800G-Verbindungen. Darüber hinaus gewährleistet die Implementierungsvereinbarung des OIF für die Common Management Interface Specification (CMIS) die interoperable Verwaltung zwischen steckbaren Modulen mehrerer Anbieter. Durch die Harmonisierung der optischen, Client- und Verwaltungsparameter werden 800G-Standards ähnliche Größenvorteile wie 400G schaffen und gleichzeitig die Interoperabilität zwischen mehreren Anbietern gewährleisten.

Fortschrittliche Technologien für 800G OSFP/QSFP-DD

Die Nutzung fortschrittlicher Technologien wie Siliziumphotonik, dreidimensionale Integration und Mixed-Signal-Elektronik ist wichtig für die Entwicklung kompakter und effizienter 800G OSFP/QSFP-DD.

Die Silizium-Photonik-Technologie bietet Wellenlängenmultiplexkomponenten mit hoher Bandbreitendichte, wie Modulatoren, Multiplexern und Fotodetektoren, die in ein Siliziumsubstrat integriert werden können. Diese Technologie ermöglicht die kostengünstige und skalierbare Skalierung höherer Baudraten über 100 G.

Dreidimensionale Integrations- oder Silikonisierungstechnologien (wie Flip-Chip-Bonding, Chip-Stacking und hochdichte Substratverpackung) ermöglichen eine enge Integration von Photonik und CMOS-Elektronik. Diese Integration kann die Signalintegrität und Leistungseffizienz bei 800G-Raten verbessern.

Die Mixed-Signal-Elektronik der nächsten Generation, wie etwa 112G pro Kanal DAC und ADC-Leistungssteigerung sowie neue DSPs, ermöglichen die Hochgeschwindigkeitssignale und komplexen Modulationsschemata, die für die optische 800G-Übertragung erforderlich sind.

Diese Technologien wurden in leistungsoptimierten Modulen wie dem siliziumbasierten 400G OSFP/QSFP-DD und den kohärenten CIM-Modulen von Acacia validiert, was sie vielversprechend für die Unterstützung einer groß angelegten 800G OSFP/QSFP-DD-Entwicklung macht.

Abbildung 2. Von links nach rechts: 3D-Silikonisierungstechnologien für steckbare MSA-Module der Klasse 2 und leistungsoptimierte CIM 3-Module der Klasse 8. Hochintegriertes Co-Packaging ist für steckbare MSA-Module der Klasse 3 800G von entscheidender Bedeutung. (Quelle: Cisco)

Hauptmerkmale für 800G OSFP/QSFP-DD-Anwendungen

Um erfolgreiche Großanwendungen zu erreichen, 800G OSFP/QSFP-DD muss einige wichtige Funktionen unterstützen, um die Anforderungen der Netzwerkanwendung und der Branchenentwicklung zu erfüllen. Ein Hauptmerkmal ist die Unterstützung von 800-GbE-Client-Datenverkehr. Es wird erwartet, dass es im Jahr 800 2024G-Switch- und Router-Ports geben wird. Um diese Plattformen miteinander zu verbinden, müssen steckbare Module über native 800GbE-Fähigkeit verfügen. Während der Übergangszeit, in der Clients mit niedrigeren Raten wie 400 GbE und 100 GbE noch weit verbreitet im Netzwerk vorhanden sind, ist auch deren Multiplex-Unterstützung von entscheidender Bedeutung.

Interoperable Modi sind ein weiterer wichtiger Faktor. 800ZR bietet einen Basismodus für kohärente DWDM-Links. Öffnen Sie jedoch den PCS-Modus von ROADM offEr bietet eine höhere Leistung und erreicht eine vergleichbare Abdeckung wie 400G. Diese Flexibilität entspricht den Anforderungen verschiedener Netzwerktopologien und Anwendungen. Produkte mit hoher Übertragungsleistung sind für traditionelle Brownfield-Netzwerke, die die vorhandene ROADM-Infrastruktur nutzen, unerlässlich. Eingebaute Verstärker stellen die für diese Verbindungen erforderliche höhere Tx-Leistung bereit.

Schließlich hat ein geringer Stromverbrauch weiterhin Priorität. Durch die Energieeffizienz kann die Portdichte von 800G-Switch- und Router-Linecards maximiert und eine Abwärtskompatibilität mit vorhandenen 400G-Ports erreicht werden. Das optimierte Design von 800G OSFP/QSFP-DD wird die neuesten Fortschritte in der Silizium-Photonik-Integration und der Skalierung von CMOS-Prozessknoten nutzen, um den Stromverbrauch zu reduzieren.

Abbildung 3. Veranschaulichung der wichtigsten Funktionen, die für steckbare 800G-MSA-Module erforderlich sind (Quelle: Cisco)

Zusammenfassung

Branchentrends deuten darauf hin, dass 800G OSFP/QSFP-DD der nächste Schritt in der Entwicklung der Rechenzentrumsverbindung ist. Durch die Kombination aus Technologieentwicklung und Standardisierungskonvergenz wird erwartet, dass 800G OSFP/QSFP-DD etwa im Jahr 2024 eine groß angelegte Netzwerkbereitstellung erreichen wird. Seine Entstehung wird mit den 800G-Ports der Switch- und Router-Plattformen der nächsten Generation synchronisiert und bietet direkte Kapazität Upgrades für Rechenzentrumsbetreiber. 800G OSFP/QSFP-DD wird auf den Schlüsselerfahrungen und der Technologie aus 400G-Optikmodulanwendungen aufbauen und die Funktionalität und Leistung bereitstellen, die für die optische Verbindung der nächsten Generation erforderlich sind.