400G から 800G、1.6T 光トランシーバーへのテクノロジー ルート

800G プラガブル光モジュール

データセンター ネットワークでは、スイッチ チップのパフォーマンスと帯域幅は非常に重要な要素であり、スイッチ チップのパフォーマンスと帯域幅は、シリアル データをパラレル データに変換する一種の回路である内部 SerDes 回路に依存します。パラレルデータをシリアルデータに変換し、高速、低消費電力、低遅延のデータ通信を可能にします。 現在市場にある主流の SerDe の速度は 100 Gbps (100 秒あたり 100 億ビット) です。これは、各チャネルが 100 Gbps のデータを送信できることを意味します。 この SerDes テクノロジーは 100G SerDes と呼ばれます。 あるレポートによると、2022G SerDes を使用するスイッチ チップの帯域幅は、2023 年のイーサネット市場全体の帯域幅を 13.8 年までに超え、13.8 ZB (年間 XNUMX ギガバイト) に達すると予測されています。

800G ファイバーと 800G イーサネットは、データセンター ネットワークにおける高速データ伝送のニーズが高まり続ける 800 つの新しいテクノロジーです。 800G ファイバーは、光ファイバーを介して 800 Gbps のデータを送信できる光デバイスです。 400G ファイバーは、デュアル 100G または 800 つの 800G など、さまざまな SerDes 構成を使用して実装できます。 XNUMXG ファイバーには、ネットワークのパフォーマンスと効率が向上するという利点がありますが、消費電力とコストが高いという欠点があります。 現在、XNUMXG ファイバーは初期段階にあり、 offいくつかの大手ベンダーによって開発され、主にハイパースケール データセンターを相互接続するために使用されます。

800G イーサネットは、イーサネット上で 800 Gbps のデータを送信する方法を定義するネットワーク標準です。 800G イーサネット仕様は、2020 年 800 月にイーサネット テクノロジー アライアンスによって最終決定されました。800G イーサネット仕様には、さまざまなアプリケーション シナリオと距離要件に対応するためのさまざまな物理層インターフェイス (PHY) およびメディア アクセス コントロール層 (MAC) パラメータが含まれています。 800G イーサネットの利点は、より高いネットワーク容量と柔軟性を提供できることですが、欠点は、より複雑なテクノロジと標準化作業が必要になることです。 現在、2023G イーサネットはまだ開発段階にあり、商用製品は 800 年に登場し始めると予想されています。800G 光ファイバーは 800G イーサネットよりも前に完成する予定です。 クラウド コンピューティングの急速な成長により、特に高性能で低コストの光学系に依存する AI/ML アプリケーション向けに、800G 光学系の需要が生じています。 800G オプティクスは、より高い帯域幅とスペクトル効率を提供し、より複雑な変調フォーマットとアルゴリズムをサポートし、さまざまなデータセンター ネットワーク アーキテクチャとシナリオに適応できます。 400G 光ファイバーにより、800G 光ファイバーとのハイブリッド展開も可能になり、ネットワークの柔軟性と互換性が向上します。 400G 光ファイバーを XNUMXG 光ファイバーとハイブリッドで導入することもでき、ネットワークの柔軟性と互換性が向上します。

800G オプティクスを選択する理由

1. コスト削減: 800G オプティクスは、光ファイバーの使用量の削減、光モジュールの数の削減、システムの統合と信頼性の向上など、光およびシステム レベルでコストを削減できます。 さらに、800G 光デバイスでは、既存の 100G および 400G のテクノロジーと機器を利用して、研究開発と生産のコストを削減することもできます。

2. 消費電力の削減: 800G 光デバイスは、より効率的な変調フォーマットの使用、回路設計の最適化、電力密度の削減など、光およびシステム レベルでのエネルギー節約を実現できます。 調査によると、800G 光モジュールの消費電力は、30G 光モジュールの消費電力よりも約 XNUMX% 低いです。 400G光学モジュール.

3. 高密度: 800G オプティクスにより、ネットワークの伝送密度が向上し、データセンターやクラウド コンピューティングなどのシナリオでの高い帯域幅需要に対応できます。 たとえば、800G 光モジュールは、波長あたり 800Gbps の伝送速度を実現できます。これは、100Gbps 400 個または XNUMXGbps XNUMX 個に相当します。 これにより、スイッチ チップの使用率が向上し、スイッチ チップのロードマップに追いつくことができます。

800G ブレークアウト アプリケーション

1. 800G ブレークアウト テクノロジーは、複数のユース ケースの効率的な組み合わせを可能にし、アグリゲーションとシャッフルをサポートし、スイッチのポート数と帯域幅を増やしながら、ネットワークのフォールト トレランスと柔軟性を向上させます。

2. 800G からデュアル 400G-DR4/FR4/LR4/ER4 ブレークアウト テクノロジーにより、400 つの XNUMXG 光モジュール間の相互接続が可能になり、異なる伝送距離とシナリオをカバーし、デュアル LC、デュアル Mini-LC、またはデュアル MPO を利用することでコストと複雑さを軽減します。一般的なファイバーコネクタ。

3 800G DR8 ブレークアウト テクノロジーは、新しいタイプの超小型コネクタであるオクタル SN/MDC を使用して、800G 光モジュールをオクタル 100G DR 光モジュールに分解し、データセンターの高いトラフィック需要を満たす高密度の光ファイバー ケーブル配線を実現します。

200G ラムダ光学系

200G Lambda は、単一ファイバー上で波長あたり 200 Gbps のデータ レートを達成できる新しい光伝送テクノロジーであり、従来の多波長 100G テクノロジーと比較して次のような利点があります。

1. ビットあたりの消費電力の低減: 200G Lambda テクノロジーでは、多波長 20G テクノロジーでは 30 つのレーザーと 100 つの光レシーバーが必要であるのに対し、必要なレーザーは 200 つと光レシーバーのみであるため、消費電力が XNUMX% ～ XNUMX% 節約されます。 さらに、XNUMXG Lambda テクノロジーは、回路の複雑さと信号処理のオーバーヘッドを削減することで消費電力を削減します。

2. ビットあたりのコストの削減: 200G Lambda テクノロジーは、レーザーとファイバー終端の数とコスト、光モジュールとファイバー リンクの数とコストを削減するため、ビットあたりのコストを 50% 削減できます。 また、200G Lambda テクノロジーは既存の 100G テクノロジーと設備を利用できるため、研究開発と生産のコストを削減できます。

3. 将来の200G SerDesに最適：SerDesは、シリアルデータをパラレルデータに、またはパラレルデータをシリアルデータに変換し、スイッチチップと光モジュール間で高速データ通信を行う回路です。 200G Lambda テクノロジーでは、200Gbps データ伝送に 200G SerDes チャネルが 100 つだけ必要ですが、多波長 100G テクノロジーでは同じデータ伝送を実現するために XNUMX つの XNUMXG SerDes チャネルが必要です。

200G Lambdaの現状

1. EMLやSiPhなどのさまざまな光学技術の技術的実現可能性が確立されています。

2. 200G Lambda 仕様の新しい FEC および光学仕様を最終決定する必要がある。

200G Lambda ギアボックスの継続的な実装を可能にするために、マルチベンダーの 200G Lambda 仕様が必要です。 200G Lambda の導入は 2024 年に大量に開始される予定です。

1.6T プラガブル光トランシーバ モジュール

プラガブル光モジュール技術ロードマップ

1.6T-OSFP (8x200G チャネル) は、単一の OSFP インターフェイス上で 200 つの 1.6G チャネルの光信号を提供し、合計 4Tb/s の帯域幅を実現する高速光モジュールです。 このモジュールは、光ファイバーの分野など、幅広い用途で使用できるように設計されています。 この光モジュールは PAM50 変調技術を利用しており、チャネルあたり 100G の電気信号を使用して 200G の光信号を駆動します。 200G/チャネルでの電気的性能を確保するために、OSFP MSA 2020G ワーキング グループは 1.6 年 800 月に OSFP インターフェイスの寸法と電気仕様を微調整し、200T-OSFP 光モジュールが 1.6G OSFP 光モジュールと完全な互換性を持つようにしました。 この互換性により、データセンター ネットワークの柔軟性と拡張性が向上します。 200G SerDes スイッチ チップと接続すると、追加のコンバータやアダプタを必要とせずに、200G SerDes テクノロジーを使用して 2025T OSFP 光モジュールをスイッチ チップに直接接続できます。 これにより、ネットワークのコストと消費電力が削減され、ネットワーク効率が向上します。 XNUMX 年までに XNUMXG SerDes スイッチ チップがデータセンター ネットワークの主流の選択肢になると予想されています。

OSFP

オクタル スモール フォーム ファクター プラガブル、XD=超高密度

データセンターネットワークにおける高速データ伝送の需要が高まるにつれ、1.6T光モジュールに対する高い関心が高まっています。 51.2T スイッチ チップと組み合わせることで、1.6T 光モジュールは 51.2U ラインカードまたは固定シャーシで 1T のスイッチ密度を達成でき、システム レベルのコストを大幅に削減できます。 このスイッチ チップは 100G SerDes テクノロジーを利用しており、これは各チャネルが 100Gbps のデータを伝送できることを意味します。 この SerDes テクノロジーは市場の主流の選択肢となっており、100 年から 2023 年の間により多くのスイッチ チップが 2027G SerDes テクノロジーを利用すると予想されます。

OSFP-XD (Ultra High Density) は、次の機能を備えた新しいタイプの光モジュールです。

1. 16 の電気チャネルをサポートしており、それぞれのチャネルは 100G または 200G に達し、合計データ レートは 1.6T または 3.2T になります。

2. 効率的な電力管理を備えており、シングルモード ファイバ、マルチモード ファイバ、アクティブ光ファイバ ケーブルなどのさまざまな光ソリューションをサポートするのに必要な電力はわずか 33 W です。

3. OSFP (800 チャネル スモール フォーム ファクター プラガブル) と同じフォーム ファクターを備えた高密度パッケージ設計を特徴としていますが、より高密度のコネクタとケーブル アセンブリを備えています。 これにより、スタックされた XNUMXG-OSFP との互換性が得られ、市場での受け入れと導入が大幅に簡素化されます。

4. 単一のマザーボード上でスタック OSFP (XNUMX チャネル スモール フォーム ファクター プラガブル) と共存できるという柔軟な互換性があり、より多くの構成オプションと拡張機能を提供します。

　 違い of 1.6T OSFP光モジュール

QSFP-XDの利点

1. これは、今日の市場で最も密度の高いプラガブル光ソリューションであり、16 個の電気チャネルをサポートしており、それぞれが 100G または 200G に達し、合計データ レートが 1.6T または 3.2T になります。 OSFP (Octal Small Form Factor Pluggable) と同じフォーム ファクタを備えていますが、より高密度のコネクタとケーブル アセンブリが使用されています。 これにより、スタック型 800G OSFP との互換性が得られ、市場での受け入れと展開が大幅に簡素化されます。 将来のチップ密度の増加要件を満たし、システムのスループットと効率を向上させます。

2. 100G Lambda、200G Lambda、Coherent などのあらゆる光テクノロジーをサポートしており、さまざまな伝送距離やシナリオに適応できます。 2W未満の低消費電力で、0～70℃の温度範囲で最大23kmの伝送距離をサポートできます。 データセンター、クラウドコンピューティング、人工知能などのニーズに応える、高速かつ効率的かつ信頼性の高いデータ伝送を実現します。

3. 構成可能性、保守性、技術的柔軟性など、プラグ可能光モジュールの利点をすべて保持します。 また、よく知られたサプライチェーンのビジネス モデルも維持しており、顧客は複数のベンダーから最適な製品やサービスを選択できます。

ビットあたりの消費電力を削減する方法

プロセス技術改善 (TSMC)

3NM プロセスは、7NM プロセスと比較して、IsoSpeed でほぼ半分の電力削減を達成します。

プラグイン可能な光学パワーの進化

個々のモジュールの消費電力は 400G ～ 1.6T から増加していますが、ビットあたりの平均消費電力は大幅に減少しています。

消費電力をさらに削減する方法

1. 3nm および 2nm DSP テクノロジーの利用: これらの高度なデジタル ロジック テクノロジーにより、トランジスタのサイズと抵抗を大幅に削減でき、それによって回路のスイッチング損失と静的消費電力が削減されます。

2. 低電力 SerDes インターフェイスの設計: SerDes はシリアル データをパラレル データに変換するインターフェイスであり、高速通信に一般的に使用されます。 信号の完全性と信頼性を確保しながら、コーディング、変調、フィルタリングを最適化することで、SerDes の消費電力を削減できます。

3. 低電力光変調器の使用: 光変調器は、フォトニクスを使用して光信号を制御するデバイスであり、光ファイバー通信で一般的に使用されます。 光導波路や電極、材料を改良して消費電力を低減することで、光変調器の駆動電圧や挿入損失を低減できます。

単一波長 200G 伝送の実現、より優れた性能を備えたレーザーの開発、結合および変調プロセスでの損失の低減など、将来にはまだ多くの革新の余地があります。 今後 5 年間の目標は、エネルギー消費をビットあたり 6 ～ 2 pJ に削減することです。これには、XNUMXnm プロセスでデジタル シグナル プロセッサを使用し、レーザーと変調器の効率を向上させ、レーザーと変調器の間の結合損失を削減する必要があります。導波管。

すべての光学系は消費電力の削減による恩恵を受けます。 光パワーの向上はフォームファクターにほとんど依存しません。

プラグイン可能な光モジュールは、既存の大容量プラットフォームへのスムーズなアップグレード パスを提供し、低消費電力光モジュールの進歩を迅速かつ大量に市場に投入できるようにします。

消費電力の概要

1. スイッチのビットあたりの消費電力は大幅に減少しており、2 プロセス世代ごとにおよそ XNUMX 倍になります。

2. 光モジュールのビットあたりの消費電力も大幅に減少しており、2 つのプロセス世代ごとにおよそ XNUMX 倍になります。

3. 光モジュールあたりの電力は増加しており、容量は 400G->800G->1.6T に増加しています。

4. 電力目標 1.6Tモジュール: クライアント光の場合は 20 ～ 25 W、DCI 光の場合は 25 ～ 30 W。

5. 20 ～ 30 W に必要な堅牢な熱フォームファクター: OSFP は適切なパッケージングを提供します。

6. さらなる電力削減が必要: 3/2nm DSP、低電力 Serdes、および変調器。

CPO とプラガブルの分析

CPO (同時パッケージ光学系) は、光トランシーバーまたは光エンジンとスイッチング チップを緊密に統合するテクノロジーで、データ伝送の速度と密度を向上させ、消費電力と遅延を削減できます。 現在、 CPO このテクノロジーは Facebook や Microsoft などの企業の研究室でいくつかの成果を実証しており、OIF (Optical Interconnect Forum) などの業界団体によってもサポートおよび推進されています。 しかし、CPO は依然として、レーザーの出力と効率を高める方法、ファイバーとコネクタの損失と故障を減らす方法、CPO モジュールの製造性、修理性、保守性を確保する方法など、かなりの数の課題に直面しています。コストや消費電力をどのように制御するかなど。

VSR は XSR SERDES を置き換えます。 チップ ベンダーは、自社のスイッチ チップに低電力 VSR SERDES モードを追加し、51.2T スイッチ チップが LR SERDES と比較して 180 W のコンセント消費電力の節約を実現できるようにしました。

VSR は 180T スイッチで約 51.2W を節約

VSR は競争の場を平等にします。 180W の省電力は良いニュースですが、同じ低電力 VSR SERDES インターフェイスをプラグイン可能な光モジュールで使用できます。

その結果、CPO とプラグイン可能な光モジュールは同じ電気リンク電力を持ちます。

CPO + ELS によりパワーが増加します。 CPO の外部光源 (ELS) により追加の光結合損失が発生し、従来のプラガブル光モジュールと比較してレーザー出力が増加するため、CPO+ELS の出力がプラガブル光モジュールよりも高くなります。

プラグ可能モジュールには XNUMX つの光コネクタがあり、CPO モジュールには XNUMX つの光コネクタがあるため、追加のコネクタ スプリッタ損失と分極により、大幅な追加光損失が発生します。

結合損失とプラガブルの比較

1. 追加のコネクタ損失: 1.2 ～ 1.6 dB

ほとんどの場合、ELS 用の拡張ビーム コネクタが必要です。

2. スプリッターと偏波損失: 0.6 ～ 1.2 dB

ファイバーの数が多い場合、これらを最小限に抑えるのは非常に困難です。

6. 合計追加結合損失: 1.8-3 dB

レーザー出力を 50% から 100% 増加させます。

さらなる電力削減が必要

1. ダイレクトドライブは DSP を排除することで電力を削減します

これをマルチベンダーの標準にすることに挑戦しています。

2. ELS でレーザー出力を下げるのは非常に困難

追加の結合損失により、レーザー出力が増加します。

3. 代替変調技術

シリコン フォトニクス変調器は挿入損失が高くなります。

CPOの概要

1. 51.2T または 102.4T スイッチには CPO は必要ありません

この問題は Pluggable Optics によって解決されました。

2. 800G および 1600G プラガブル オプティクスにはリスクがありません

デザイン、保守性、製造性に問題はありません。

3. 今日の CPO はプラガブル経由で電力を節約していません

CPO の将来の最も有望な方向性はダイレクトドライブです。