¿Por qué los centros de datos de IA necesitan módulos ópticos de 800G?

En el acelerado mundo actual, la demanda de transmisión de datos de alta velocidad ha alcanzado niveles sin precedentes. Las aplicaciones de IA y los grandes modelos han hecho de la potencia informática una infraestructura clave para la industria de la IA. A medida que aumenta la necesidad de una comunicación más rápida, los módulos ópticos de alta velocidad se han convertido en un componente esencial de los servidores de inteligencia artificial. Este artículo explora la evolución de los módulos ópticos de 800G y su enorme potencial en la era de la IA.

La evolución de los módulos ópticos de 800G

Los módulos ópticos realizan la tarea de convertir señales ópticas y eléctricas en conexiones de red, responsables de convertir señales eléctricas en señales ópticas en el extremo transmisor, y luego convertir señales ópticas en señales eléctricas en el extremo receptor después de la transmisión a través de fibras ópticas. Con el desarrollo y la integración de dispositivos optoelectrónicos, su rendimiento y ancho de banda de transmisión se han mejorado continuamente, y los módulos ópticos requieren velocidades de transmisión más altas y tamaños más pequeños para adaptarse a diferentes escenarios de uso. Los métodos de empaquetado también han evolucionado, y un menor consumo de energía y empaquetado significa que los módulos ópticos tienen una mayor densidad de puertos en los conmutadores, y la misma potencia puede alimentar más módulos ópticos.

La creciente demanda de ancho de banda

El crecimiento de la demanda de ancho de banda ha tenido un impacto significativo en los módulos ópticos de alta velocidad. Con la aparición de nuevas tecnologías y la demanda de transmisión de datos a gran escala, los módulos ópticos tradicionales de 100G, 200G y 400G ya no pueden satisfacer plenamente la demanda del mercado. Para satisfacer la creciente demanda de ancho de banda, los módulos ópticos de 800G se están convirtiendo en una tendencia.

El crecimiento de la tecnología LPO

En la era de los módulos ópticos 800G, se destaca la tecnología Linear-drive Pluggable Optics (LPO). LPO utiliza componentes analógicos lineales en el enlace de datos, sin la necesidad de un diseño complejo de CDR o DSP. En comparación con las soluciones DSP, LPO reduce en gran medida el consumo de energía y la latencia y es muy adecuado para los requisitos de conexión de datos de corta distancia, gran ancho de banda, baja potencia y baja latencia de los centros de datos de IA. A medida que los proveedores de servicios en la nube amplían sus recursos informáticos, se espera que las soluciones LPO, incluida 800G LPO, ocupen una importante participación de mercado.

Embalaje del módulo óptico 800G

Con el avance continuo de la tecnología, la forma de empaque de los módulos ópticos ha experimentado cambios significativos. Desde los primeros envases GBIC hasta los envases SFP más pequeños y el actual 800G QSFP-DD y empaquetado OSFP. Esta tendencia de desarrollo no sólo refleja la mejora continua de los módulos ópticos en términos de velocidad, sino que también muestra su progreso hacia la miniaturización y la conexión en caliente. Los escenarios de aplicación de los módulos ópticos de 800G son cada vez más diversos y cubren múltiples campos como Ethernet, CWDM/DWDM, conectores, canales de fibra y acceso por cable/inalámbrico.

Comparación de tamaños QSFP-DD y OSFP

Especificaciones de 800G QSFP-DD

Módulo pequeño enchufable de alta velocidad de cuatro canales de doble densidad. QSFP-DD es el paquete preferido para módulos ópticos de 800G, lo que permite que los centros de datos crezcan de manera eficiente y amplíen la capacidad de la nube según sea necesario. Los módulos QSFP-DD utilizan una interfaz eléctrica de 8 canales, con una velocidad de hasta 25 Gb/s (modulación NRZ) o 50 Gb/s (modulación PAM4) por canal, proporcionando una solución agregada de hasta 200 Gb/s o 400 Gb/s. .

Las ventajas de 800G QSFP-DD

Tiene compatibilidad con versiones anteriores y es compatible con paquetes QSFP QSFP+/QSFP28/QSFP56.

Adopta un conector de jaula integrado apilado 2×1, que puede admitir sistemas de conectores de jaula de altura simple y doble.

Puede alcanzar una capacidad térmica de al menos 12 vatios por módulo a través de conectores SMT y jaulas 1xN. Una mayor capacidad térmica puede reducir los requisitos de la función de enfriamiento de los módulos ópticos, reduciendo así algunos costos innecesarios.

En el diseño de QSFP-DD, el grupo de trabajo de MSA consideró plenamente la flexibilidad del uso del usuario, adoptó el diseño ASIC, admitió múltiples velocidades de interfaz y fue compatible con versiones anteriores (compatible con QSFP+/QSFP28), reduciendo así los costos de puerto y los costos de implementación de equipos.

Especificaciones de forma de 800G OSFP

OSFP es un nuevo tipo de módulo óptico, mucho más pequeño que CFP8, pero ligeramente más grande que QSFP-DD, con 8 canales eléctricos de alta velocidad y aún admite 32 puertos OSFP en cada panel frontal de 1U, con disipadores de calor integrados para mejorar en gran medida el calor. rendimiento de disipación.

Las ventajas de 800G OSFP

El módulo OSFP está diseñado para 8 canales y admite directamente un rendimiento total de hasta 800G, logrando así una mayor densidad de ancho de banda.

Debido a que el paquete OSFP admite más canales y velocidades de transmisión de datos más altas, puede proporcionar un mayor rendimiento y una distancia de transmisión más larga.

El módulo OSFP tiene un excelente diseño de disipación de calor y puede soportar un mayor consumo de energía.

OSFP está diseñado para soportar tasas más altas en el futuro. Debido al mayor tamaño del módulo OSFP, es posible admitir un mayor consumo de energía, por lo que admite velocidades más altas, como 1.6 T o superiores.

Comparación del tamaño del módulo óptico de 800G

QSFP-DD suele ser la opción preferida en aplicaciones de telecomunicaciones, mientras que OSFP es más adecuado para entornos de centros de datos. Las principales diferencias entre ellos son:

Tamaño: OSFP es un poco más grande

Consumo de energía: el consumo de energía de OSFP es ligeramente mayor que el de QSFP-DD.

Compatibilidad: QSFP-DD es perfectamente compatible con QSFP28 y QSFP+, mientras que OSFP no es compatible.

Tipos de módulos ópticos de 800G

800G = 8x100G = 4x200G, por lo que, según la velocidad de un solo canal, se puede dividir en dos tipos, a saber, 100G y 200G de un solo canal. Las arquitecturas correspondientes se muestran en la siguiente figura. El módulo óptico de 100G de un solo canal se puede implementar rápidamente, mientras que 200G tiene requisitos más altos para los dispositivos ópticos. Dado que la velocidad máxima admitida por la interfaz eléctrica actual es PAM112 de 4 Gbps, se requiere una caja de cambios para el 200G de un solo canal.

Para el caso multimodo, existen principalmente dos estándares para módulos ópticos de 800G, correspondientes a una distancia de transmisión inferior a 100 m.

800GSR8

Adopta la solución VCSEL, con una longitud de onda de 850 nm, una velocidad de canal único de 100 Gbps PAM4 y requiere 16 fibras. Esto puede considerarse como una versión mejorada del 400G SR4, con el número de canales duplicado. Su interfaz óptica es MPO-16 o 2 filas de MPO-12, como se muestra en la siguiente figura. Los módulos ópticos 800G SR8 se utilizan generalmente para Ethernet 800G, enlaces de centros de datos o interconexión 800G-800G.

800GSR4

Esta solución adopta una longitud de onda de 850 nm/910 nm, transmisión bidireccional y utiliza DeMux en el módulo para separar las dos longitudes de onda. La velocidad de un solo canal es PAM100 de 4 Gbps y se requieren 8 fibras. En comparación con SR8, la cantidad de fibras en esta solución se reduce a la mitad. Su diagrama de bloques se muestra en la siguiente figura:

CDR de 800G PAM4

Su interfaz de fibra se muestra en la siguiente figura, utilizando la interfaz MPO-12.

Existen varios estándares para módulos ópticos de 800G para aplicaciones monomodo:

800G DR8, 800G 2xDR4 y 800G PSM8

Estos tres estándares tienen arquitecturas internas similares, todos con 8 transmisores y 8 receptores, y una velocidad de un solo canal de 100 Gbps, lo que requiere 16 fibras ópticas. 800GDR8 El módulo óptico adopta 100G PAM4 y tecnología paralela monomodo de 8 canales, y la distancia de transmisión a través de fibra óptica monomodo puede alcanzar los 500 m.

Generalmente se utiliza para centros de datos, interconexión 800G-800G, 800G-400G y 800G-100G. 800G PSM8 adopta la tecnología CWDM, con 8 canales ópticos, cada uno con una velocidad de transmisión de 100 Gbps, y admite una distancia de transmisión de 100 m. Es muy adecuado para transmisión de larga distancia y uso compartido de recursos de fibra.

800G 2DR4 se refiere a 2 interfaces “400G-DR4”. La interfaz óptica de 2DR4 es 2 MPO-12, como se muestra en la siguiente figura. Se puede interconectar con un módulo óptico DR400 de 4G sin cable de rama de fibra, lo que admite una distancia de transmisión de 500 m, lo cual es conveniente para las actualizaciones del centro de datos. La interfaz óptica de PSM8 y DR8 es MPO-16.

800G 2xFR4 y 2xLR4

Estos dos estándares tienen estructuras internas similares, y ambos contienen 4 longitudes de onda y una velocidad de canal único de 100 Gbps. Al utilizar Mux para reducir la cantidad de fibras ópticas, se requieren 4 fibras ópticas, como se muestra en la siguiente figura.

Estas dos soluciones son actualizaciones de módulos ópticos 400G FR4 y LR4, que utilizan longitudes de onda CWDM1271 de 1291/1311/1331/4 nm. 2xFR4 admite una distancia de transmisión de 2 km y 2xLR4 admite una distancia de transmisión de 10 km. Sus interfaces ópticas adoptan interfaces CS duales o LC dúplex duales.

800GFR4

Esta solución utiliza cuatro longitudes de onda, con una velocidad de un solo canal de 200 Gbps, y requiere dos fibras ópticas para soportar una distancia de transmisión de 2 km, como se muestra en la siguiente figura.

Adopta una interfaz óptica LC dúplex, como se muestra en la siguiente figura.

800GFR8

Esta solución utiliza 8 longitudes de onda, cada una con una velocidad de 100 Gbps, y requiere dos fibras ópticas para soportar una distancia de transmisión de 2 km, como se muestra en la siguiente figura. Los ocho canales de longitud de onda son 1271/1291/1311/1331/1351/1371/1391/1411 nm respectivamente.

El impacto de Al en el despliegue de módulos ópticos 800G

¿Por qué 800G son más importantes que 400G para los servidores de IA?

En primer lugar, los servidores de IA requieren una alta velocidad de transmisión de datos y una baja latencia, y necesitan conmutadores de rack que coincidan con el ancho de banda subyacente. Estos conmutadores también pueden necesitar redundancia de latencia, lo que requiere módulos ópticos de alta velocidad. Por ejemplo, el servidor NVIDIA DGX H100 está equipado con módulos GPU 8xH100, cada uno de los cuales requiere módulos ópticos 2x200G. Por lo tanto, cada servidor necesita al menos 16xmódulos 200Gy el puerto del conmutador correspondiente en la parte superior del bastidor necesita al menos 4x800G.

En segundo lugar, los chips ópticos de 800G tienen una mayor rentabilidad y beneficios económicos. Utilizan chips EML de 100G, mientras que 200G/400G utilizan chips ópticos de 50G. Los datos muestran que al mismo ritmo, el costo de un chip óptico de 100G es un 30% menor que el de dos chips ópticos de 50G. Sin embargo, Módulos ópticos 400G todavía tienen una importancia importante en la industria.

Aunque es posible que no puedan igualar la velocidad de los módulos ópticos de 800G, mejoran significativamente el ancho de banda en comparación con las tecnologías antiguas y son la solución preferida de muchas empresas. Además, es posible que algunas aplicaciones no necesiten todas las funciones de 800G Ethernet y 400G. Ethernet es más práctico para ellos. Con la creciente demanda de una transmisión de datos más rápida y eficiente, ha llegado la era de los módulos ópticos de 800G.

Con sus excelentes capacidades de ancho de banda y el avance de la tecnología LPO, los módulos ópticos de 800G cambiarán por completo la industria de la inteligencia artificial y los centros de datos.