Ruta tecnológica de transceptores ópticos de 400G a 800G a 1.6T

Módulo óptico enchufable 800G

En una red de centro de datos, el rendimiento y el ancho de banda del chip del conmutador son factores muy importantes, y el rendimiento y el ancho de banda del chip del conmutador dependen de su circuito interno SerDes, que es un tipo de circuito que convierte datos en serie en datos paralelos o datos paralelos a datos en serie y permite la comunicación de datos de alta velocidad, baja potencia y baja latencia. Los SerDes convencionales en el mercado actual tienen una velocidad de 100 Gbps (100 mil millones de bits por segundo), lo que significa que cada canal puede transmitir 100 Gbps de datos. Esta tecnología SerDes se conoce como 100G SerDes. Según un informe, se prevé que el ancho de banda de los chips de conmutación que utilizan SerDes 100G supere el ancho de banda de todo el mercado de Ethernet en 2022 para 2023, alcanzando 13.8 ZB (13.8 Gigabytes por año).

800G Fiber y 800G Ethernet son dos tecnologías emergentes a medida que continúa creciendo la necesidad de transmisión de datos de alta velocidad en las redes de centros de datos. 800G Fiber es un dispositivo óptico que puede transmitir 800 Gbps de datos a través de fibra óptica. La fibra 800G se puede implementar utilizando diferentes configuraciones de SerDes, como 400G dual u ocho 100G. La fibra 800G tiene la ventaja de mejorar el rendimiento y la eficiencia de la red, pero la desventaja de un mayor consumo de energía y costo. Actualmente, la Fibra 800G se encuentra en sus primeras etapas y está offLo ofrecen algunos de los proveedores líderes y se utiliza principalmente para interconectar centros de datos de hiperescala.

800G Ethernet es un estándar de red que define cómo transmitir 800 Gbps de datos a través de Ethernet. La especificación Ethernet 800G fue finalizada por Ethernet Technology Alliance en abril de 2020. La especificación Ethernet 800G incluye una variedad de parámetros de interfaz de capa física (PHY) y capa de control de acceso a medios (MAC) para adaptarse a diferentes escenarios de aplicación y requisitos de distancia. La ventaja de Ethernet 800G es que puede proporcionar una mayor capacidad y flexibilidad de red, pero la desventaja es que requiere tecnología y trabajo de estandarización más complejos. Actualmente, Ethernet de 800G todavía se encuentra en etapa de desarrollo y se espera que los productos comerciales comiencen a aparecer en 2023. La óptica de 800G estará lista antes que Ethernet de 800G. El rápido crecimiento de la computación en la nube ha creado una demanda de ópticas de 800G, especialmente para aplicaciones de IA/ML que dependen de ópticas de alto rendimiento y bajo costo. La óptica de 800G puede proporcionar un mayor ancho de banda y eficiencia espectral, admitir formatos y algoritmos de modulación más complejos y adaptarse a diferentes escenarios y arquitecturas de red de centros de datos. La óptica de 800G también permite implementaciones híbridas con óptica de 400G para una mayor flexibilidad y compatibilidad de la red. La óptica de 800G también se puede implementar de forma híbrida con óptica de 400G para aumentar la flexibilidad y compatibilidad de la red.

¿Por qué elegir la óptica 800G?

1. Reducción de costos: la óptica 800G puede ahorrar costos a nivel óptico y del sistema, como reducir el uso de fibra óptica, reducir la cantidad de módulos ópticos y mejorar la integración y confiabilidad del sistema. Además, los dispositivos ópticos de 800G también pueden utilizar la tecnología y los equipos existentes de 100G y 400G para reducir el costo de I+D y producción.

2. Consumo de energía reducido: los dispositivos ópticos de 800G pueden lograr ahorros de energía a nivel óptico y del sistema, como el uso de formatos de modulación más eficientes, la optimización del diseño de circuitos y la reducción de la densidad de potencia. Según un estudio, el consumo de energía de los módulos ópticos de 800G es aproximadamente un 30% menor que el de Módulos ópticos 400G.

3. Mayor densidad: la óptica de 800G puede aumentar la densidad de transmisión de la red para satisfacer la alta demanda de ancho de banda en escenarios como centros de datos y computación en la nube. Por ejemplo, los módulos ópticos de 800G pueden alcanzar una velocidad de transmisión de 800Gbps por longitud de onda, lo que equivale a ocho de 100Gbps o dos de 400Gbps. Esto puede mejorar la tasa de utilización de los chips de conmutación y mantenerse al día con la hoja de ruta de los chips de conmutación.

Aplicaciones de ruptura de 800G

1. La tecnología de ruptura de 800G permite combinaciones eficientes de múltiples casos de uso, admite agregación y reproducción aleatoria y mejora la tolerancia a fallas y la flexibilidad de la red al tiempo que aumenta la cantidad de puertos y el ancho de banda del conmutador.

2. La tecnología de ruptura de 800G a Dual 400G-DR4/FR4/LR4/ER4 permite la interconexión entre dos módulos ópticos de 400G, cubriendo diferentes distancias y escenarios de transmisión y reduciendo el costo y la complejidad al utilizar LC dual, Mini-LC dual o MPO dual, que son Conectores de fibra comunes.

3G DR8 La tecnología de ruptura puede dividir un módulo óptico de 800G en módulos ópticos DR de 100G octales, utilizando SN/MDC octal, un nuevo tipo de conector ultracompacto, para lograr cableado de fibra óptica de alta densidad para satisfacer la alta demanda de tráfico de los centros de datos.

Óptica Lambda 200G

200G Lambda es una tecnología de transmisión óptica emergente que puede alcanzar una velocidad de datos de 200 Gbps por longitud de onda en una sola fibra, que tiene las siguientes ventajas sobre la tecnología tradicional de 100 G de múltiples longitudes de onda:

1. Menor consumo de energía por bit: la tecnología Lambda de 200G ahorra entre un 20% y un 30% del consumo de energía porque requiere solo un láser y un receptor óptico, a diferencia de cuatro láseres y cuatro receptores ópticos para la tecnología de 100G de múltiples longitudes de onda. Además, la tecnología Lambda de 200G reduce el consumo de energía al reducir la complejidad del circuito y la sobrecarga del procesamiento de señales.

2. Costo reducido por bit: la tecnología Lambda de 200G puede reducir el costo por bit en un 50% porque reduce la cantidad y el costo de láseres y terminaciones de fibra, así como la cantidad y el costo de módulos ópticos y enlaces de fibra. Además, la tecnología Lambda de 200G puede utilizar tecnología y equipos de 100G existentes, lo que reduce el costo de I+D y producción.

3. La mejor opción para SerDes 200G en el futuro: SerDes son circuitos que convierten datos en serie en datos paralelos, o datos paralelos en datos en serie, y realizan comunicación de datos de alta velocidad entre el chip del interruptor y el módulo óptico. La tecnología Lambda de 200G requiere solo un canal SerDes de 200G para la transmisión de datos de 200Gbps, mientras que la tecnología de 100G de longitud de onda múltiple requiere cuatro canales SerDes de 100G para realizar la misma transmisión de datos.

Estado actual de 200G Lambda

1. Se ha establecido la viabilidad técnica para una variedad de tecnologías ópticas como EML y SiPh.

2. Necesidad de finalizar nuevas especificaciones ópticas y FEC para la especificación Lambda 200G.

Necesidad de una especificación Lambda 200G de múltiples proveedores para permitir la implementación continua de cajas de cambios Lambda 200G. La adopción de 200G Lambda comenzará en volumen en 2024.

Módulo transceptor óptico enchufable 1.6T

Hoja de ruta de la tecnología de módulos ópticos enchufables

El 1.6T-OSFP (canales 8x200G) es un módulo óptico de alta velocidad que proporciona ocho canales de 200G de señales ópticas en una única interfaz OSFP para lograr un ancho de banda total de 1.6Tb/s. El módulo está diseñado para usarse en una amplia gama de aplicaciones, como en el campo de la fibra óptica. Este módulo óptico utiliza tecnología de modulación PAM4, que utiliza 50G de señales eléctricas por canal para generar 100G de señales ópticas. Para garantizar el rendimiento eléctrico a 200G/canal, el Grupo de Trabajo OSFP MSA 200G ajustó las dimensiones y especificaciones eléctricas de la interfaz OSFP en octubre de 2020, haciendo que el módulo óptico 1.6T-OSFP sea totalmente compatible con el módulo óptico 800G OSFP. Esta compatibilidad proporciona más flexibilidad y escalabilidad para las redes de centros de datos. En conexión con los chips de conmutación SerDes de 200G, los módulos ópticos OSFP de 1.6 T se pueden conectar directamente a los chips de conmutación utilizando la tecnología SerDes de 200G sin necesidad de convertidores o adaptadores adicionales. Esto reduce el costo de la red y el consumo de energía y mejora la eficiencia de la red. Se espera que los chips de conmutación SerDes de 200G se conviertan en la opción principal para las redes de centros de datos para 2025.

OSFP

Octal de factor de forma pequeño conectable, XD=extra denso

A medida que continúa creciendo la demanda de transmisión de datos de alta velocidad en redes de centros de datos, ha habido un gran interés en los módulos ópticos de 1.6T. Combinado con un chip de conmutador de 51.2T, el módulo óptico de 1.6T puede alcanzar una densidad de conmutador de 51.2T en una tarjeta de línea de 1U o en un chasis fijo, lo que reduce drásticamente los costos a nivel del sistema. Este chip conmutador utiliza tecnología SerDes de 100G, lo que significa que cada canal puede transportar 100 Gbps de datos. Esta tecnología SerDes se ha convertido en una opción popular en el mercado y se espera que más chips de conmutación utilicen la tecnología SerDes 100G entre 2023 y 2027.

OSFP-XD (Ultra High Density) es un nuevo tipo de módulo óptico con las siguientes características:

1. Admite 16 canales eléctricos, cada uno de los cuales puede alcanzar 100G o 200G, lo que da como resultado una velocidad de datos total de 1.6T o 3.2T.

2. Tiene una administración de energía eficiente y requiere solo 33 W de potencia para admitir una variedad de soluciones ópticas, incluida la fibra monomodo, la fibra multimodo y el cable de fibra óptica activa.

3. Presenta un diseño de paquete de alta densidad con el mismo factor de forma que el OSFP (enchufable de factor de forma pequeño de ocho canales) pero con conectores y conjuntos de cables de mayor densidad. Esto lo hace compatible con 800G-OSFP apilados, lo que simplifica enormemente la aceptación y el despliegue en el mercado.

4. Tiene compatibilidad flexible ya que puede coexistir con OSFP apilado (conectable de factor de forma pequeño de dos canales) en una sola placa base, lo que proporciona más opciones de configuración y capacidades de expansión.

El Diferencias of 1.6T Módulo óptico OSFP

Ventajas de QSFP-XD

1. Es la solución óptica conectable más densa del mercado actual y admite 16 canales eléctricos, cada uno de los cuales puede alcanzar 100G o 200G, lo que da como resultado una velocidad de datos total de 1.6T o 3.2T. Tiene el mismo factor de forma que OSFP (Octal Small Form Factor Pluggable) pero utiliza un conector y un conjunto de cables de mayor densidad. Esto lo hace compatible con OSFP 800G apilado, lo que simplifica enormemente la aceptación y la implementación en el mercado. Cumple con los requisitos futuros de crecimiento de la densidad de chips y mejora el rendimiento y la eficiencia del sistema.

2. Admite una gama completa de tecnologías ópticas, incluidas 100G Lamdba, 200G Lambda y Coherent, que se pueden adaptar a diferentes escenarios y distancias de transmisión. Puede soportar distancias de transmisión de hasta 2 kilómetros en un rango de temperatura de 0-70°C con un bajo consumo de energía de menos de 23W. Permite una transmisión de datos de alta velocidad, eficiente y altamente confiable para satisfacer las necesidades de los centros de datos, la computación en la nube, la inteligencia artificial y otros campos.

3. Conserva todos los beneficios de un módulo óptico enchufable, incluida la capacidad de configuración, la capacidad de servicio, la flexibilidad técnica y más. También conserva el conocido modelo de negocio de cadena de suministro, que permite a los clientes elegir los productos y servicios más adecuados entre múltiples proveedores.

Cómo reducir el consumo de energía por bit

Mejora de la tecnología de procesos (TSMC)

El proceso de 3 NM logra casi la mitad de reducción de potencia en IsoSpeed ​​en comparación con el proceso de 7 NM.

Evolución de la potencia de las ópticas enchufables

Aunque el consumo de energía de los módulos individuales está aumentando de 400G a 1.6T, el consumo de energía promedio por bit está disminuyendo significativamente.

Formas de reducir aún más el consumo de energía

1. Utilice tecnologías DSP de 3 nm y 2 nm: estas tecnologías lógicas digitales avanzadas pueden reducir drásticamente el tamaño y la resistencia de los transistores, reduciendo así las pérdidas de conmutación y el consumo de energía estática del circuito.

2. Diseño de interfaces SerDes de bajo consumo: Los SerDes son interfaces que convierten datos en serie en datos paralelos y se utilizan comúnmente para comunicaciones de alta velocidad. Podemos reducir el consumo de energía de SerDes optimizando la codificación, la modulación y el filtrado al tiempo que garantizamos la integridad y confiabilidad de la señal.

3. Utiliza moduladores ópticos de baja potencia: Los moduladores ópticos son dispositivos que utilizan fotónica para controlar señales ópticas y se utilizan comúnmente en comunicaciones de fibra óptica. Podemos reducir el voltaje de excitación y la pérdida de inserción de los moduladores ópticos mejorando la guía de ondas ópticas, los electrodos y los materiales para reducir el consumo de energía.

Todavía hay mucho margen para la innovación en el futuro, incluida la realización de la transmisión de 200G de longitud de onda única, el desarrollo de láseres con mejor rendimiento y la reducción de pérdidas en el proceso de acoplamiento y modulación. El objetivo para los próximos cinco años es reducir el consumo de energía a 5 o 6 pJ por bit, lo que requerirá el uso de procesadores de señales digitales en procesos de 2 nm, mejorando la eficiencia de los láseres y moduladores, y reduciendo las pérdidas de acoplamiento entre el láser y el guía de ondas.

Todas las ópticas se benefician de un consumo de energía reducido. Las mejoras en la potencia óptica son en gran medida independientes del factor de forma.

Los módulos ópticos conectables brindan una ruta de actualización fluida a las plataformas existentes de gran volumen, lo que permite que los avances en óptica de bajo consumo lleguen al mercado rápidamente y en grandes volúmenes.

Resumen del consumo de energía

1. El consumo de energía por bit para los conmutadores está disminuyendo significativamente, aproximadamente un factor de 2 veces por cada dos generaciones de procesos.

2. El consumo de energía por bit para los módulos ópticos también está disminuyendo significativamente, aproximadamente un factor de 2 veces por cada dos generaciones de procesos.

3. La potencia por módulo óptico está aumentando, con una capacidad que crece de 400G->800G->1.6T.

4. Objetivos de poder para Módulos 1.6 T: 20-25W para óptica cliente, 25-30W para óptica DCI.

5. Se requiere un factor de forma térmico robusto para 20-30 W: OSFP proporciona el embalaje adecuado.

6. Se necesita una mayor reducción de potencia: DSP de 3/2 nm, Serdes de menor potencia y moduladores.

Análisis de CPO y enchufable

CPO (óptica co-empaquetada) es una tecnología que integra estrechamente un transceptor óptico o motor óptico con un chip de conmutación, lo que puede aumentar la velocidad y la densidad de la transmisión de datos y reducir el consumo de energía y la latencia. Actualmente, Etiqueta CPO La tecnología ha demostrado algunos resultados en los laboratorios de empresas como Facebook y Microsoft y también cuenta con el apoyo y la promoción de organizaciones industriales como OIF (Optical Interconnect Forum). Sin embargo, CPO todavía enfrenta una cantidad considerable de desafíos, como cómo aumentar la potencia y la eficiencia de los láseres, cómo reducir las pérdidas y fallas de fibras y conectores, cómo garantizar la capacidad de fabricación, reparabilidad y mantenimiento de los módulos CPO, así como cómo controlar el coste y el consumo de energía, etc.

VSR reemplaza a XSR SERDES. Los proveedores de chips han agregado un modo VSR SERDES de bajo consumo a sus chips de conmutación, lo que permite que el chip de conmutación 51.2T obtenga 180 W de ahorro de energía en el enchufe de pared en comparación con LR SERDES.

VSR ahorró alrededor de 180 W para el conmutador 51.2T

VSR nivela el campo de juego. Si bien el ahorro de energía de 180 W es una buena noticia, la misma interfaz VSR SERDES de bajo consumo se puede utilizar con módulos ópticos conectables.

El resultado: los CPO y los módulos ópticos enchufables tienen la misma potencia de enlace eléctrico.

CPO + ELS aumenta la potencia. La fuente de luz externa (ELS) del CPO introduce pérdidas de acoplamiento óptico adicionales, que aumentan la potencia del láser en comparación con los módulos ópticos enchufables convencionales, lo que hace que el CPO+ELS tenga mayor potencia que los módulos ópticos enchufables.

Los módulos enchufables tienen un conector óptico y los módulos CPO tienen cuatro conectores ópticos, lo que resulta en una pérdida óptica adicional significativa debido a la polarización y pérdida adicional del divisor del conector.

Pérdidas de acoplamiento frente a enchufables

1. Pérdidas adicionales del conector: 1.2-1.6 dB

Lo más probable es que necesite conectores de haz expandidos para ELS.

2. Pérdidas por divisor y polarización: 0.6-1.2 dB

Es muy difícil minimizarlos para una gran cantidad de fibras.

6. Pérdidas de acoplamiento adicionales totales: 1.8-3 dB

Aumenta la potencia del láser entre un 50% y un 100%.

Se necesita una mayor reducción de energía

1. La transmisión directa reduce la energía al eliminar el DSP

Es un desafío hacer de este un estándar de múltiples proveedores.

2. Es muy difícil reducir la potencia del láser con ELS

Las pérdidas de acoplamiento adicionales aumentan la potencia del láser.

3. Tecnologías de modulación alternativas

Los moduladores fotónicos de silicio tienen una alta pérdida de inserción.

Resumen del CPO

1. No se requiere CPO para conmutadores 51.2T o 102.4T

El problema se ha solucionado con Óptica Enchufable.

2. Las ópticas enchufables de 800G y 1600G no tienen riesgo

Sin problemas de diseño, capacidad de servicio o fabricación.

3. Los CPO actuales no ahorran energía en lugar de enchufarse

La dirección futura más prometedora para CPO es la de impulso directo.