QSFP-DD vs OSFP vs QSFP56 vs QSFP112 : avantages et défis

La 5G, l'Internet des objets (IoT) et le développement du transport de données vidéo exercent une forte pression sur les opérateurs et les centres de données pour qu'ils modernisent leurs réseaux et prennent en charge ces applications gourmandes en données. De plus, les récents changements de comportement induits par la pandémie de COVID-19, tels que le télétravail, l'apprentissage à distance et l'essor du streaming pour le divertissement, se poursuivront bien après la fin de cette crise sanitaire. Alors que l'explosion des besoins en capacité des applications gourmandes en données dépasse les capacités actuelles de transport à haut débit, la technologie 400G est prometteuse et répond à un besoin immédiat en fibre optique, avec des coûts d'exploitation (OPEX) relativement faibles et un encombrement réduit.

La demande de réseaux haut débit a explosé avec l'essor de la 5G, du cloud computing et des applications gourmandes en données comme l'IA et l'IoT. Les émetteurs-récepteurs optiques 400G, tels que QSFP-DD, OSFP et QSFP56, sont à l'avant-garde de cette évolution, offrant une bande passante et une efficacité inégalées pour les centres de données et les télécommunications. Dans ce guide, nous comparerons QSFP-DD, OSFP et QSFP56, en explorant leurs avantages, leurs défis et leurs applications pour vous aider à choisir le format adapté à votre infrastructure réseau.

Présentation de QSFP-DD, OSFP, QSFP56 et QSFP112

QSFP-DD (Quad Small Form Factor Pluggable Double Densité)

Le QSFP-DD, également appelé QSFP56-DD, est une évolution du format QSFP conçue pour prendre en charge les réseaux Ethernet 200G, 400G et même 800G. Il double le nombre de voies électriques, passant de quatre à huit par rapport au QSFP28, permettant ainsi d'obtenir une bande passante plus élevée grâce à la modulation NRZ (25 Gbit/s par voie pour le 200G) ou PAM4 (50 Gbit/s par voie pour le 400G, 100 Gbit/s par voie pour le 800G). Sa compacité et sa rétrocompatibilité avec les modules QSFP antérieurs en font un choix populaire pour les centres de données.

OSFP (Octal Small Form Factor enfichable)

OSFP est un format plus récent, spécialement conçu pour les applications 400G et 800G, avec huit voies électriques prenant en charge jusqu'à 100 Gbit/s chacune (via PAM4). Légèrement plus grand que QSFP-DD, il offre une gestion thermique améliorée et une évolutivité future. OSFP n'est pas rétrocompatible avec les modules QSFP, mais est optimisé pour les applications hautes performances comme les télécommunications et les réseaux pilotés par l'IA.

QSFP56

Le QSFP56 est conçu pour l'Ethernet 200G, utilisant quatre voies à 50 Gbit/s chacune avec modulation PAM4. Il partage les mêmes dimensions physiques que le QSFP+ et le QSFP28, garantissant ainsi la compatibilité avec les ports QSFP existants. Le QSFP56 constitue une étape intermédiaire entre le 100G et le 400G, ce qui le rend adapté aux réseaux non encore prêts pour la mise à niveau vers le 400G.

QSFP112

Le QSFP112 est une version avancée du format QSFP, prenant en charge le 400G grâce à quatre voies à 112 Gbit/s chacune avec modulation PAM4. Il conserve la même taille physique que les QSFP28 et QSFP56, offrant une transition fluide aux utilisateurs QSFP traditionnels passant au 400G. Le QSFP112 est particulièrement économe en énergie et adapté au calcul haute performance (HPC) et aux télécommunications.

QSFP-DD 400G basé sur la modulation PAM4

PAM4 est la principale méthode de modulation du 400G QSFP-DD, et il existe deux types : multimode et monomode. Le QSFP-DD 400G basé sur la modulation PAM4 utilise une modulation PAM8 50x4G côté port électrique et des types de modulation PAM8 50x4G et 4x100G PAM4 côté port optique.

Figure 1 : 400G QSFP-DD basé sur la modulation PAM4

QSFP-DD 400G multimode

Le QSFP-DD multimode 400G possède des interfaces SR8 et SR4.2, qui utilisent toutes deux une modulation PAM8 50x4G.

SR8 : « SR » fait référence à l'utilisation de la fibre multimode pour transmettre une distance de 100 m, et « 8 » indique qu'il y a 8 canaux optiques. Un total de 16 fibres (8 Tx et 8 Rx) sont nécessaires pour chaque canal optique fonctionnant à 50G PAM4. Le module SR8 utilise des connecteurs MPO-16 ou des connecteurs MPO-24 pour connecter 8 paires de fibres.

Figure 2 : connecteur MPO-16 et connecteur MPO-24

SR4.2 : « SR » fait référence à l'utilisation d'une fibre multimode pour transmettre une distance de 100 m, « 4 » indique qu'il y a quatre canaux optiques et « 2 » indique que chaque canal utilise deux longueurs d'onde. Chaque canal optique fonctionne à 2x50G PAM4, nécessitant un total de 8 fibres, et les longueurs d'onde sont bidirectionnelles et multiplexées. Les modules SR4.2 utilisent des connecteurs MPO-12, et le principal avantage de SR4.2 est qu'il peut continuer à utiliser les ressources fibre installées existantes.

Figure 3 : MPO-12 BiDi

Chaque fibre de SR4.2 dans le connecteur MPO-12 transporte des signaux PAM2 bidirectionnels 50x4G. SR4.2 prend également en charge les interfaces de connecteur MDC et SN.

PMD	La distance de transmission	Type de fibre	Port optique	Nombre de cœurs de fibre	Longueur des ondes	Méthode de modulation
SR8	100m	Multimode parallèle	MPO- 16(APC)ou MPO-24(PC)	16	850nm	50G PAM4
SR4.2	100m	Multimode parallèle	MPO- 12(APC)	8	850nm / 910nm	50G PAM4

Tableau 1 : QSFP-DD multimode 400G

QSFP-DD 400G monomode

Le QSFP-DD 400G monomode peut être divisé en deux groupes. Un groupe de ports optiques est modulé avec 8x50G PAM4, et l'autre groupe est modulé avec 4x100G PAM4. Les deux méthodes utilisent le DSP comme CDR (aucun CDR analogique n'est construit) ou utilisent une combinaison de Gearbox et de CDR. La différence est le taux de signalisation côté ligne et le nombre de lasers utilisés.

Figure4 : Deux groupes de QSFP-DD 400G monomode

QSFP-DD monomode Basé sur 8×50G PAM4

Il existe trois types généraux : FR8, LR8 et 2xFR4. FR8 et LR8 sont les premières interfaces monomodes 400G disponibles. "8" signifie 8 longueurs d'onde, et chacune fonctionne à 50G PAM4. « FR » signifie une transmission de 2 km et « LR » signifie une transmission de 10 km. 8 longueurs d'onde sont multiplexées dans une fibre. FR8 et LR8QSFP-DD utilisent des interfaces optiques LC duplex.

Figure 5 : QSFP-DD monomode basé sur 8×50G PAM4

Le 2xFR4 QSFP-DD utilise 8 lasers, mais en deux groupes de 4 longueurs d'onde (suivant la norme 200G FR4). Les deux ensembles sont multiplexés séparément dans la fibre et le QSFP-DD fournit des signaux 2x200G sur 2 connecteurs CS.

PMD	La distance de transmission	Type de fibre	Port optique	Nombre de cœurs de fibre	Longueur des ondes	Méthode de modulation
2xFR4	2km	SMF	2xCS	4	4(CWDM4)	50G PAM4
FR8	2km	SMF	LC	2	8(LWDM)	50G PAM4
LR8	10km	SMF	LC	2	8(LWDM)	50G PAM4

Tableau 2 : émetteur-récepteur optique monomode basé sur 8 × 50G PAM4

Cependant, l'utilisation d'une solution 8x50G implique des compromis. D'une part, ils offrent des bilans de liaison améliorés dans certains cas, mais d'autre part, les coûts laser totaux par module sont plus élevés et le packaging optique est plus complexe, ce qui entraîne des rendements inférieurs et des coûts de production plus élevés. En revanche, les modules 4x100G ont une consommation d'énergie plus faible et des capacités de traitement thermique plus simples, de sorte que les appareils se tournent progressivement vers des solutions 4x100G.

Module optique monomode basé sur 4x100G PAM4

Les modules optiques 4x100G QSFP-DD sont actuellement au centre du marché, et la partie la plus courante est l'utilisation de 4 voies avec 100G PAM4 côté ligne. Ici, nous pouvons classer les modules optiques en deux types : multi-fibres et bi-fibres. Les éléments clés de ces modules optiques sont les DSP compatibles Gearbox, notamment DR4, FR4 et LR4.

Dans le module optique DR4, le DSP convertit le signal électrique 8x50G PAM4 en 4x100G PAM4 et le transmet au moteur optique. En même temps, le DSP agit comme un CDR. Dans DR4, chaque canal fonctionne à 1310 nm et nécessite une fibre, donc un total de 8 fibres sont nécessaires.

Figure 6 : Module optique monomode basé sur 4x100G PAM4

Les fonctions de base des DSP FR4 et LR4 sont les mêmes que celles du DR4. Mais maintenant, 4 longueurs d'onde (CWDM4) sont utilisées au lieu de quatre signaux de 1310 nm et un multiplexeur est ajouté pour combiner ces signaux CWDM. De cette façon, le nombre de fibres optiques nécessaires est réduit à 2 (TX+RX), et un port optique LC duplex est utilisé.

Figure 7 : 4x100G FR4 monomode

Pour LR4, il y a deux parcours différents, et on se retrouvera très probablement avec deux versions. Un pour 6 km (IEEE) et un pour 10 km (100G lambda MSA).

PMD	La distance de transmission	Type de fibre	Port optique	Nombre de cœurs de fibre	Longueur des ondes	Méthode de modulation
DR4	500m	MSP/SMF	MPO-12(APC)	8	1 (1310 nm)	100G PAM4
FR4	2km	SMF	LC	2	4(CWDM4)	100G PAM4
LR4	10km	SMF	LC	2	4(CWDM4)	100G PAM4

Tableau 3 : Module optique monomode basé sur 4×100G PAM4

À l'avenir, compte tenu des coûts, la transmission 400G avec des signaux optiques à 4 voies pourrait devenir courante. Dans le même temps, le port électrique du module optique peut également être progressivement mis à niveau vers la forme de 4 × 100G PAM4 pour économiser la puce Gearbox et réduire la consommation d'énergie et les coûts.

QSFP-DD contre QSFP (QSFP+/QSFP28)

La nouvelle interface QSFP-DD étend le facteur de forme enfichable QSFP, une interface électrique à quatre voies largement adoptée utilisée sur les commutateurs Ethernet qui permet l'interconnexion entre les commutateurs ou avec les serveurs. Les quatre voies électriques de QSFP fonctionnent à 10 Gb/s ou 25 Gb/s, fournissant des solutions pour un agrégat de 40 Gb/s ou 100 Gb/s. Les interfaces électriques du facteur de forme enfichable 400G QSFP-DD utilisent huit voies qui fonctionnent jusqu'à 25 Gb/s de modulation NRZ ou 50 Gb/s de modulation PAM4, fournissant des solutions jusqu'à 200 Gb/s ou 400 Gb/s agrégés. Cela peut permettre jusqu'à 14.4 To de bande passante agrégée dans un seul emplacement de commutateur et répondre à la croissance rapide du trafic du centre de données.

Les densités de port système sont identiques entre les spécifications des modules QSFP-DD et QSFP28. Cependant, étant donné que chaque port QSFP-DD peut accueillir 8 voies au lieu de 4, QSFP-DD double le nombre de ports ASIC qu'il prend en charge pour les interfaces existantes telles que CAUI-4. QSPF-DD fournit la densité BW la plus élevée de tous les modules enfichables.

La densité BW de QSFP-DD

Les systèmes conçus avec des modules QSFP-DD sont rétrocompatibles, ce qui leur permet de prendre en charge les modules QSFP existants et offre une flexibilité aux utilisateurs finaux et aux concepteurs de systèmes. La rétrocompatibilité est d'une importance cruciale pour l'industrie. L'économie d'échelle réalisée grâce à la rétrocompatibilité le rend hautement souhaitable.

En résumé, les 400G QSFP-DD est un peu plus long que QSFP+/QSFP28 mais la densité de port est la même, et la bande passante est augmentée à 10 fois ou 4 fois ce dernier, et il est rétrocompatible, ce qui signifie que les clients peuvent ignorer le système QSFP et déployer directement le QSFP- Système DD, qui réduit considérablement les coûts d'équipement.

QSFP-DD contre OSFP

Tout d'abord, examinons l'émetteur-récepteur OSFP. le OSFP 400G Il s'agit d'un nouveau format enfichable doté de huit voies électriques haut débit, prenant initialement en charge 400 Gbit/s (8 x 50 Gbit/s). Légèrement plus large et plus profond que le QSFP, il prend néanmoins en charge 36 ports OSFP par face avant 1U, soit 14.4 Tbit/s par 1U. En réalité, la différence entre ces deux formats est minime. Par exemple, comparons le QSFP-DD DR4 à l'OSFP DR4. L'OSFP DR4 est un module optique OSFP (Octal Small Form-factor Pluggable) 400 Gbit/s conçu pour les applications de communication optique à 500 m. Il intègre 4 canaux parallèles sur une longueur d'onde centrale de 1310 100 nm, fonctionnant à 4 Gbit/s par canal. Le chemin de transmission intègre un pilote EML à quatre canaux et 4 EML parallèles. Le QSFP-DD DR500 prend également en charge une distance de transmission maximale de 1310 mètres sur une longueur d'onde centrale de 4 8 nm. Mais la différence réside dans le fait que le module QSFP-DD DR50 convertit 4 canaux de signal électrique de 4 Gb/s (PAM100) en 400 canaux de données de sortie optique parallèles, chacun capable d'un débit de données de XNUMX Gb/s pour une bande passante agrégée de XNUMX Gb/s. 

Deuxièmement, à propos de la capacité thermique et de la consommation d'énergie. Le QSFP-DD est de plus petite taille, sa capacité thermique n'est donc que de 7 à 12 watts. Bien que l'émetteur-récepteur OSFP soit de plus grande taille, sa capacité thermique peut atteindre 12 à 15 watts. Plus la capacité thermique est grande, plus la consommation électrique que le module optique peut supporter est importante.

Troisièmement, la taille plus importante du QSFP 400G, son dissipateur thermique intégré et ses contacts à une seule rangée étaient initialement considérés comme plus performants. L'intégrité du signal via le connecteur et les défis liés au refroidissement thermique étaient les principaux points à considérer. Cependant, la rétrocompatibilité du QSFP-DD avec le QSFP28 à plus faible débit s'est avérée un succès commercial une fois les inquiétudes techniques dissipées.

QSFP-DD contre CFP8

La série CFP est partie de CFP, est passée à CFP2, puis à CFP4 et enfin à CFP8, qui est également une série de facteurs de forme établie de longue date. Par rapport à la série QSFP, la série CFP semble avoir été moins populaire, pour des raisons évidentes : grande taille et consommation d'énergie élevée.

Comparé au QSFP-DD et au CFP8, la première chose évidente est la taille : la taille du CFP8 (41.5 mm x 107.5 mm x 9.5 mm) est nettement plus grande que celle du QSFP-DD, et le volume est plus de trois fois supérieur à celui du QSFP-DD.

De plus, pour la rétrocompatibilité, il n'y a aucune mention de rétrocompatibilité dans la spécification matérielle du CFP8 (en fait, toute la série CFP ne semble pas être rétrocompatible). Pour les modules optiques des séries CFP et CFP2, l'adaptateur CFP vers QSFP28 et l'adaptateur CFP2 vers QSFP28 sont disponibles depuis longtemps, ce qui indique que certains utilisateurs sont passés aux modules optiques QSFP28.

Ensuite, la bande passante maximale de CFP8 et QSFP-DD est 400Gb / s, mais le CFP8 ne prend en charge que 400 Gbit/s (16 x 25 Gbit/s ou 8 x 50 Gbit/s), tandis que le QSFP-DD prend en charge 200 Gbit/s (8 x 25 Gbit/s) et 400 Gbit/s (8 x 50 Gbit/s). En résumé, le QSFP-DD semble être un meilleur choix que le CFP8, quels que soient les aspects.

QSFP-DD contre QSFP56

En tant qu'évolution des précédents 40G QSFP+ et 100G QSFP28, le Quad 50 Gigabits Small Form-factor Pluggable (QSFP56) est celui conçu pour l'Ethernet 200G. QSFP56 Débit de 4 x 50 à 56 Gbit/s au format QSFP. On parle parfois de QSFP 200G pour simplifier. Les modules optiques QSFP56 sont similaires aux modules QSFP en termes de taille et de format. En général, deux modules QSFP56 peuvent être utilisés avec un SMF ou un MMF pour réaliser une liaison 200G. 

La dernière version du format du module optique passe du QSFP56 au QSFP56-DD, également appelé QSFP-DD 400G. Bien que le QSFP56-DD offre une densité deux fois supérieure, sa taille est similaire à celle du QSFP56. Le port QSFP400-DD 56G est rétrocompatible avec l'émetteur-récepteur QSFP, ce qui signifie que, tant que le commutateur le prend en charge, le QSFP56 peut fonctionner sur le port QSFP56-DD. Lorsqu'un module QSFP56 est utilisé dans un port QSFP56-DD, ce port est configuré pour un débit de données de 200G au lieu de 400G.

QSFP-DD contre QSFP112

Les QSFP-DD (Quad Small Form Factor Pluggable Double Density) et QSFP112 sont des émetteurs-récepteurs QSFP avancés conçus pour les réseaux haut débit, ciblant principalement l'Ethernet 400G. Cependant, ils diffèrent par leur configuration de voies, leur évolutivité et leur application privilégiée. Vous trouverez ci-dessous une comparaison concise de leurs avantages et de leurs défis afin de guider les opérateurs réseau dans le choix du format optimal.

QSFP-DD : avantages et défis

• Avantages :
  • Évolutivité : prend en charge 200G, 400G et jusqu'à 800G avec huit voies (25 Gb/s NRZ pour 200G, 50 Gb/s PAM4 pour 400G, 100 Gb/s PAM4 pour 800G), ce qui le rend idéal pour la pérennisation des réseaux à grande échelle.
  • Compatibilité descendante : compatible avec QSFP+, QSFP28 et QSFP56, permettant une intégration transparente dans l'infrastructure QSFP existante, réduisant ainsi les coûts de mise à niveau.
  • Densité de ports élevée : sa taille compacte (18.35 mm x 89.4 mm x 8.5 mm) permet jusqu'à 36 ports 400 GbE dans un rack 1U, offrant 14.4 Tb/s de bande passante.
• Défis:
  • Contraintes thermiques : consommation électrique limitée à 7 à 12 W, ce qui peut limiter les performances dans les environnements à forte puissance ou densément peuplés.
  • Coût : généralement 15 à 30 % plus cher que le QSFP112 en raison de sa conception avancée et de sa plus grande évolutivité.
  • Besoins d'intégration : nécessite des commutateurs/routeurs compatibles QSFP-DD, nécessitant potentiellement des mises à niveau matérielles.

QSFP112 : avantages et défis

• Avantages :
  • Efficacité énergétique : consomme 10 à 15 W, certains modules étant jusqu'à 29 % plus efficaces que d'autres émetteurs-récepteurs 400G, réduisant ainsi les coûts d'exploitation.
  • Transition 400G transparente : utilise quatre voies à 112 Gb/s (PAM4), conservant le facteur de forme QSFP pour des mises à niveau faciles dans les systèmes QSFP hérités (QSFP+, QSFP28, QSFP56).
  • Performances à faible latence : optimisé pour le calcul haute performance (HPC) et les télécommunications nécessitant 400 G avec une latence minimale.
• Défis:
  • Évolutivité limitée : concentré sur 400G, sans chemin clair vers 800G, ce qui le rend moins évolutif que QSFP-DD.
  • Écosystème en évolution : en tant que norme plus récente, QSFP112 bénéficie d'un support fournisseur limité, ce qui peut entraîner des problèmes de disponibilité ou de compatibilité.
  • Complexité du signal : PAM4 à 112 Gb/s augmente les défis en matière d'intégrité du signal, nécessitant une correction d'erreur avancée.

Les défis de mise en œuvre du 400GbE

Des vitesses plus élevées et l'utilisation de la modulation PAM4 apportent de grandes améliorations en termes de débit, mais entraînent également une grande complexité au niveau de la couche physique et provoquent facilement des erreurs de transmission du signal.

Le premier problème est que la vitesse de voie plus élevée dans les interfaces électriques 400G signifie plus de bruit (également appelé rapport signal sur bruit) dans la transmission du signal. Et le rapport signal sur bruit élevé entraîne une augmentation du taux d'erreur sur les bits (BER), qui à son tour affecte la qualité du signal.

De plus, au niveau de l'apparence physique, les modules optiques 400G comprennent des interfaces haut débit comprenant davantage d'interfaces d'entrée et de sortie électriques, d'interfaces d'entrée et de sortie optiques, ainsi que d'autres interfaces de gestion de l'alimentation et des débits faibles. Toutes les performances de ces interfaces doivent être conformes aux normes 400G. Cependant, la taille de la Émetteurs-récepteurs 400G est similaire aux émetteurs-récepteurs 100G existants ; l'intégration de ces interfaces nécessite une technologie de fabrication plus sophistiquée, ainsi que des tests de performance correspondants pour garantir la qualité de ces modules.

Parallèlement, la complexité des tests d'émetteurs-récepteurs 400G pose de nouveaux défis aux fournisseurs de modules optiques. Pour garantir la qualité des émetteurs-récepteurs aux utilisateurs, les fournisseurs doivent accorder une importance particulière aux équipements de test et aux techniques de R&D. Comment garantir que les nouveaux produits prennent en charge la mise à niveau 400G tout en réduisant les coûts de développement et de fabrication associés, qui peuvent entraver la compétitivité des prix ?