QSFP-DD 대 OSFP 대 QSFP56 대 QSFP112: 장점과 과제

2024년 6월 20일

캐서린

광통신 엔지니어

5G, 사물 인터넷(IoT), 그리고 증가하는 비디오 기반 데이터 전송은 통신사와 데이터 센터가 이러한 데이터 집약적인 애플리케이션을 지원하기 위해 네트워크 용량을 업그레이드해야 한다는 심각한 압력을 가하고 있습니다. 또한, COVID-19 팬데믹으로 인한 재택근무, 원격 학습, 엔터테인먼트 스트리밍 증가와 같은 최근의 행동 변화는 이번 보건 위기가 끝난 후에도 오랫동안 지속될 것입니다. 데이터 집약적인 애플리케이션의 용량 수요 폭발이 현재의 고속 전송 능력을 능가하는 상황에서, 400G는 비교적 낮은 운영 비용(OPEX)과 더 작은 설치 공간으로 광섬유의 즉각적인 요구를 충족하는 유망한 신기술입니다.

5G, 클라우드 컴퓨팅, 그리고 AI 및 IoT와 같은 데이터 집약적인 애플리케이션의 등장으로 고속 네트워킹에 대한 수요가 급증했습니다. QSFP-DD, OSFP, QSFP400과 같은 56G 광 트랜시버는 이러한 발전의 선두에 있으며, 데이터 센터와 통신 환경에 탁월한 대역폭과 효율성을 제공합니다. 이 가이드에서는 QSFP-DD, OSFP, QSFP56을 비교하고, 각 제품의 장점, 과제, 그리고 활용 분야를 살펴보며 네트워크 인프라에 적합한 폼 팩터를 선택하는 데 도움을 드리겠습니다.

차례

QSFP-DD, OSFP, QSFP56 및 QSFP112 개요

QSFP-DD(쿼드 스몰 폼 팩터 플러그형 이중 밀도)

QSFP-DD(QSFP56-DD라고도 함)는 200G, 400G, 심지어 800G 이더넷까지 지원하도록 설계된 QSFP 폼팩터의 진화된 버전입니다. QSFP28에 비해 전기 레인 수가 25개에서 200개로 두 배 증가하여 NRZ(4G의 경우 레인당 50Gb/s) 또는 PAM400 변조(100G의 경우 레인당 800Gb/s, XNUMXG의 경우 레인당 XNUMXGb/s)를 통해 더 높은 대역폭을 구현합니다. 컴팩트한 크기와 이전 QSFP 모듈과의 하위 호환성 덕분에 데이터 센터에 널리 사용됩니다.

OSFP(8진 소형 폼 팩터 플러그형)

OSFP는 400G 및 800G 애플리케이션용으로 특별히 설계된 최신 폼팩터로, 100개의 전기 레인이 각각 최대 4Gb/s(PAMXNUMX 사용)를 지원합니다. QSFP-DD보다 약간 더 큰 크기를 자랑하며, 향상된 열 관리 및 향후 확장성을 제공합니다. OSFP는 QSFP 모듈과 하위 호환되지 않지만, 통신 및 AI 기반 네트워킹과 같은 고성능 애플리케이션에 최적화되어 있습니다.

QSFP56

QSFP56은 200G 이더넷용으로 설계되었으며, 각 레인은 PAM50 변조 방식을 사용하는 4Gb/s의 28개 레인을 사용합니다. QSFP+ 및 QSFP56과 동일한 물리적 크기를 공유하여 기존 QSFP 포트와의 호환성을 보장합니다. QSFP100은 400G와 400G의 중간 단계로, 아직 XNUMXG 업그레이드 준비가 되지 않은 네트워크에 적합합니다.

QSFP112

QSFP112는 QSFP 폼팩터의 고급 버전으로, 각각 PAM400 변조 방식을 사용하는 112Gb/s 4개 레인을 사용하여 28G를 지원합니다. QSFP56 및 QSFP400과 동일한 물리적 크기를 유지하여 기존 QSFP 사용자가 112G로 전환할 수 있도록 원활한 업그레이드 경로를 제공합니다. QSFPXNUMX는 특히 에너지 효율이 뛰어나 고성능 컴퓨팅(HPC) 및 통신에 적합합니다.

PAM400 변조 기반 4G QSFP-DD

PAM4는 400G QSFP-DD의 주요 변조 방식이며 다중 모드와 단일 모드의 두 가지 유형이 있습니다. PAM400 변조 기반 4G QSFP-DD는 전기 포트 측에서 8x50G PAM4 변조를 사용하고 광 포트 측에서 8x50G PAM4 및 4x100G PAM4 변조 유형을 사용합니다.

그림 1: PAM400 변조 기반 4G QSFP-DD

다중 모드 400G QSFP-DD

400G 다중 모드 QSFP-DD에는 8x4.2G PAM8 변조를 사용하는 SR50 및 SR4 인터페이스가 있습니다.

SR8: "SR"은 다중 모드 광섬유를 사용하여 100m 거리를 전송하는 것을 의미하고 "8"은 8개의 광 채널이 있음을 나타냅니다. 16G PAM8에서 작동하는 각 광 채널에는 총 8개의 광섬유(50 Tx 및 4 Rx)가 필요합니다. SR8 모듈은 MPO-16 커넥터 또는 MPO-24 커넥터를 사용하여 8쌍의 광섬유를 연결합니다.

그림 2: MPO-16 커넥터 및 MPO-24 커넥터

SR4.2: "SR"은 100m 거리를 전송하기 위해 다중 모드 광섬유를 사용하는 것을 의미하고, "4"는 2개의 광 채널이 있음을 나타내고, "2"는 각 채널이 50개의 파장을 사용함을 나타냅니다. 각 광 채널은 4x8G PAM4.2에서 작동하며 총 12개의 광섬유가 필요하며 파장은 양방향 및 다중화됩니다. SR4.2 모듈은 MPO-XNUMX 커넥터를 사용하며 SRXNUMX의 주요 장점은 기존에 설치된 광섬유 리소스를 계속 사용할 수 있다는 것입니다.

그림3: MPO-12 BiDi

MPO-4.2 커넥터에 있는 SR12의 각 광섬유는 2x50G 양방향 PAM4 신호를 전달합니다. SR4.2는 MDC 및 SN 커넥터 인터페이스도 지원합니다.

PMD	전송 거리	섬유 유형	광 포트	광섬유 코어 수	파장	변조 방법
SR8	100m	병렬 다중 모드	MPO- 16(APC) 또는 MPO-24(PC)	16	850nm	50G PAM4
SR4.2	100m	병렬 다중 모드	MPO- 12(APC)	8	850nm / 910nm	50G PAM4

표1: 400G 다중 모드 QSFP-DD

단일 모드 400G QSFP-DD

단일 모드 400G QSFP-DD는 두 그룹으로 나눌 수 있습니다. 광 포트의 한 그룹은 8x50G PAM4로 변조되고 다른 그룹은 4x100G PAM4로 변조됩니다. 두 방법 모두 DSP를 CDR로 사용하거나(아날로그 CDR이 구축되지 않음) Gearbox와 CDR의 조합을 사용합니다. 차이점은 라인 측의 신호 속도와 사용된 레이저 수입니다.

그림 4: 단일 모드 400G QSFP-DD의 두 그룹

8×50G PAM4 기반 단일 모드 QSFP-DD

FR8, LR8 및 2xFR4의 세 가지 일반 유형이 있습니다. FR8 및 LR8은 사용 가능한 최초의 400G 단일 모드 인터페이스입니다. "8"은 8개의 파장을 의미하며 각각은 50G PAM4에서 실행됩니다. "FR"은 2km 전송을 의미하고 "LR"은 10km 전송을 의미합니다. 8개의 파장이 하나의 광섬유로 다중화됩니다. FR8 및 LR8QSFP-DD는 이중 LC 광 인터페이스를 사용합니다.

그림 5: 8×50G PAM4 기반 단일 모드 QSFP-DD

2xFR4 QSFP-DD는 8개의 레이저를 사용하지만 4개의 파장으로 구성된 두 그룹(200G FR4 표준에 따름)을 사용합니다. 두 세트는 개별적으로 광섬유로 다중화되며 QSFP-DD는 2개의 CS 커넥터에서 200x2G 신호를 제공합니다.

PMD	전송 거리	섬유 유형	광 포트	광섬유 코어 수	파장	변조 방법
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

표2: 8×50G PAM4 기반 단일 모드 광 트랜시버

그러나 8x50G 솔루션을 사용할 때는 트레이드오프가 있습니다. 한편으로는 어떤 경우에는 향상된 링크 예산을 제공하지만, 다른 한편으로는 모듈당 총 레이저 비용이 더 높고 광학 패키징이 더 복잡하여 수율이 낮아지고 생산 비용이 높아집니다. 반면 4x100G 모듈은 전력 소모가 낮고 열 처리 기능이 더 간단하므로 장치가 점차 4x100G 솔루션으로 전환되고 있습니다.

4x100G PAM4 기반 단일 모드 광 모듈

4x100G QSFP-DD 광 모듈은 현재 시장의 초점이며 가장 일반적인 부분은 라인 측에 4G PAM100가 있는 4개의 레인을 사용하는 것입니다. 여기에서 광 모듈을 다중 광섬유와 이중 광섬유의 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 이러한 광학 모듈의 핵심 요소는 DR4, FR4 및 LR4를 포함한 Gearbox 지원 DSP입니다.

DR4 광 모듈에서 DSP는 8x50G PAM4 전기 신호를 4x100G PAM4로 변환하여 광 엔진으로 전송합니다. 동시에 DSP는 CDR 역할을 합니다. DR4에서는 각 채널이 1310nm에서 작동하며 하나의 광섬유가 필요하므로 총 8개의 광섬유가 필요합니다.

그림 6: 4x100G PAM4 기반 단일 모드 광 모듈

FR4 및 LR4 DSP의 기본 기능은 DR4의 기능과 동일합니다. 그러나 이제 4개의 4nm 신호 대신 1310개의 파장(CWDM2)이 사용되며 이러한 CWDM 신호를 결합하기 위해 멀티플렉서가 추가됩니다. 이러한 방식으로 필요한 광섬유의 수는 XNUMX(TX+RX)로 줄어들고 이중 LC 광 포트가 사용됩니다.

그림 7: 단일 모드 4x100G FR4

LR4의 경우 두 가지 다른 경로가 있으며 두 가지 버전으로 끝날 가능성이 큽니다. 하나는 6km(IEEE)용이고 하나는 10km(100G 람다 MSA)용입니다.

PMD	전송 거리	섬유 유형	광 포트	광섬유 코어 수	파장	변조 방법
DR4	500m	PSM/SMF	MPO-12(APC)	8	1 (1310nm)	100G PAM4
FR4	2km	SMF	LC	2	4(CWDM4)	100G PAM4
LR4	10km	SMF	LC	2	4(CWDM4)	100G PAM4

표3: 4×100G PAM4 기반 단일 모드 광 모듈

향후 비용을 고려하면 400방향 광신호를 이용한 4G 전송이 주류가 될 수 있다. 동시에 광학 모듈의 전기 포트도 점진적으로 4×100G PAM4 형태로 업그레이드되어 Gearbox 칩을 절약하고 전력 소비와 비용을 절약할 수 있습니다.

QSFP-DD 대 QSFP(QSFP+/QSFP28)

새로운 QSFP-DD 인터페이스는 스위치 간 또는 서버로의 상호 연결을 가능하게 하는 이더넷 스위치 전반에 사용되는 널리 채택된 10레인 전기 인터페이스인 QSFP 플러그형 폼 팩터에서 확장됩니다. QSFP의 25개의 전기 레인은 40Gb/s 또는 100Gb/s에서 작동하여 400Gb/s 또는 25Gb/s 집합에 대한 솔루션을 제공합니다. 50G QSFP-DD 플러그형 폼 팩터의 전기 인터페이스는 최대 4Gb/s NRZ 변조 또는 200Gb/s PAM400 변조를 작동하는 14.4개 레인을 사용하여 최대 XNUMXGb/s 또는 XNUMXGb/s 통합 솔루션을 제공합니다. 이를 통해 단일 스위치 슬롯에서 최대 XNUMXTb/s의 총 대역폭을 활성화하고 급격한 데이터 센터 트래픽 증가를 해결할 수 있습니다.

시스템 포트 밀도는 QSFP-DD와 QSFP28 모듈 사양 간에 동일합니다. 그러나 각 QSFP-DD 포트는 8개 대신 4개 레인을 수용할 수 있으므로 QSFP-DD는 CAUI-4와 같은 기존 인터페이스에 대해 지원하는 ASIC 포트 수를 두 배로 늘립니다. QSPF-DD는 플러그형 모듈 중 가장 높은 BW 밀도를 제공합니다.

QSFP-DD의 BW 밀도

QSFP-DD 모듈로 설계된 시스템은 이전 버전과 호환되므로 기존 QSFP 모듈을 지원하고 최종 사용자와 시스템 설계자에게 유연성을 제공할 수 있습니다. 이전 버전과의 호환성은 업계에서 매우 중요합니다. 이전 버전과의 호환성으로 인해 달성된 규모의 경제는 매우 바람직합니다.

요약하자면, 400G QSFP-DD QSFP+/QSFP28보다 약간 길지만 포트 밀도는 동일하고 대역폭은 후자의 10배 또는 4배로 증가하며 이전 버전과 호환되므로 고객이 QSFP 시스템을 건너뛰고 QSFP-를 직접 배포할 수 있습니다. 장비 비용을 크게 절감하는 DD 시스템.

QSFP-DD 대 OSFP

먼저 OSFP 트랜시버를 살펴보겠습니다. 그만큼 400G OSFP 는 400개의 고속 전기 레인을 갖춘 새로운 플러그형 폼 팩터로, 처음에는 8Gb/s(50x36G)를 지원합니다. QSFP보다 약간 더 넓고 깊지만 1U 전면 패널당 14.4개의 OSFP 포트를 지원하여 1U당 4Tb/s를 구현합니다. 실제로 이 두 폼 팩터 사이에는 큰 차이가 없습니다. 예를 들어 QSFP-DD DR4와 OSFP DR4를 비교해 보겠습니다. OSFP DR400는 500m 광 통신 애플리케이션을 위해 설계된 4Gb/s Octal Small Form-factor Pluggable(OSFP) 광 모듈입니다. 이 모듈은 1310nm 중심 파장에 100개의 병렬 채널을 통합하여 채널당 4G로 작동합니다. 송신기 경로에는 4개의 병렬 EML과 함께 500채널 EML 드라이버가 통합되어 있습니다. QSFP-DD DR1310는 4nm 중심 파장에서 최대 8m의 전송 거리를 지원합니다. 하지만 다른 점은 QSFP-DD DR50 모듈이 4Gb/s(PAM4) 전기 신호 100개 채널을 400개 병렬 광 출력 데이터 채널로 변환한다는 것입니다. 각각은 XNUMXGb/s 데이터 전송 속도를 지원하여 총 XNUMXGb/s 대역폭을 제공합니다.

둘째, 열용량 및 전력 소비에 대해. QSFP-DD는 크기가 더 작기 때문에 열 용량은 7~12와트에 불과합니다. OSFP 송수신기는 크기가 더 크지만 열 용량은 12~15와트에 도달할 수 있습니다. 열용량이 클수록 광 모듈이 견딜 수 있는 전력 소비가 커집니다.

셋째, 400G OSFP의 더 큰 크기, 통합 방열판, 그리고 단일 행 접점은 초기에는 더 나은 것으로 여겨졌습니다. 커넥터를 통한 신호 무결성과 열 냉각 문제가 주요 초점이었습니다. 그러나 기술적 문제가 해소되자 QSFP-DD의 저속 QSFP28과의 하위 호환성은 시장에서 큰 성공을 거두었습니다.

QSFP-DD 대 CFP8

CFP 시리즈는 CFP에서 시작하여 CFP2, CFP4, 마지막으로 CFP8로, 그것도 오랜 전통을 가진 폼팩터 시리즈입니다. QSFP 시리즈와 비교하여 CFP 시리즈는 큰 크기와 높은 전력 소비라는 명백한 이유 때문에 덜 인기가 있었던 것 같습니다.

QSFP-DD 및 CFP8과 비교했을 때 가장 먼저 눈에 띄는 것은 크기입니다. CFP8의 크기(41.5mm*107.5mm*9.5mm)는 QSFP-DD보다 상당히 크고, 부피는 QSFP-DD의 XNUMX배가 넘습니다.

게다가 이전 버전과의 호환성을 위해 CFP8의 하드웨어 사양에는 이전 버전과의 호환성에 대한 언급이 없습니다(사실 CFP 시리즈 전체가 이전 버전과 호환되지 않는 것 같습니다). CFP 및 CFP2 시리즈 광 모듈의 경우 CFP-QSFP28 어댑터 및 CFP2-QSFP28 어댑터가 오랫동안 사용되어 일부 사용자가 QSFP28 광 모듈로 전환했음을 나타냅니다.

그러면 CFP8 및 QSFP-DD의 최대 대역폭은 다음과 같습니다. 400Gb / s하지만 CFP8은 400Gb/s(16x25G 또는 8x50G)만 지원하는 반면, QSFP-DD는 200Gb/s(8x25G)와 400Gb/s(8x50G)를 모두 지원합니다. 요약하자면, 어떤 측면에서든 QSFP-DD가 CFP8보다 더 나은 선택으로 보입니다.

QSFP-DD 대 QSFP56

이전 40G QSFP+ 및 100G QSFP28의 발전된 QSFP50(Quad 56 Gigabits Small Form-factor Pluggable)은 200G 이더넷용으로 설계된 것입니다. QSFP56 QSFP 폼팩터에서 4 x 50~56Gb/s를 나타냅니다. 편의상 200G QSFP라고도 합니다. QSFP56 광 모듈은 크기와 폼팩터 측면에서 QSFP와 유사합니다. 일반적으로 두 개의 QSFP56 모듈을 SMF 또는 MMF와 함께 사용하여 200G 링크를 구현할 수 있습니다.

광 모듈 폼 팩터의 최신 버전은 QSFP56에서 QSFP56-DD로, 400G QSFP-DD라고도 합니다. QSFP56-DD는 밀도가 두 배이지만 크기는 QSFP56과 비슷합니다. 400G QSFP56-DD 포트는 QSFP 트랜시버와 하위 호환되므로, 스위치가 지원하는 한 QSFP56이 QSFP56-DD 포트에서 작동할 수 있습니다. QSFP56 모듈을 QSFP56-DD 포트에 사용하면 해당 포트는 200G가 아닌 400G의 데이터 속도로 구성됩니다.

QSFP-DD 대 QSFP112

QSFP-DD(Quad Small Form Factor Pluggable Double Density)와 QSFP112는 고속 네트워킹용으로 설계된 고급 QSFP 기반 트랜시버로, 주로 400G 이더넷을 목표로 하지만 레인 구성, 확장성 및 애플리케이션 중심 측면에서 차이가 있습니다. 아래는 네트워크 운영자가 최적의 폼 팩터를 선택하는 데 도움이 되도록 각 제품의 장점과 과제를 간략하게 비교한 것입니다.

QSFP-DD: 장점과 과제

장점:
- 확장성: 200개의 레인(400G의 경우 800Gb/s NRZ, 25G의 경우 200Gb/s PAM50, 4G의 경우 400Gb/s PAM100)으로 4G, 800G, 최대 XNUMXG를 지원하므로 미래에 대비한 대규모 네트워크에 이상적입니다.
- 이전 버전과의 호환성: QSFP+, QSFP28, QSFP56과 호환되므로 기존 QSFP 인프라에 원활하게 통합하여 업그레이드 비용을 절감할 수 있습니다.
- 높은 포트 밀도: 소형 크기(18.35mm x 89.4mm x 8.5mm) 덕분에 36U 랙에 최대 400개의 1GbE 포트를 장착하여 14.4Tb/s의 대역폭을 제공할 수 있습니다.
도전 과제 :
- 열 제약: 전력 소비가 7~12W로 제한되어 있어 고전력 환경이나 밀집된 환경에서는 성능이 제한될 수 있습니다.
- 비용: 고급 설계와 더 폭넓은 확장성으로 인해 QSFP15보다 일반적으로 30~112% 더 비쌉니다.
- 통합 요구 사항: QSFP-DD 호환 스위치/라우터가 필요하며, 잠재적으로 하드웨어 업그레이드가 필요합니다.

QSFP112: 장점과 과제

장점:
- 에너지 효율성: 10~15W를 소모하며, 일부 모듈은 다른 29G 트랜시버보다 최대 400% 더 효율적이어서 운영 비용을 절감할 수 있습니다.
- 원활한 400G 전환: 112Gb/s(PAM4)에서 28개의 레인을 사용하여 기존 QSFP 시스템(QSFP+, QSFP56, QSFPXNUMX)에서 쉽게 업그레이드할 수 있도록 QSFP 폼 팩터를 유지합니다.
- 저지연 성능: 최소 지연 시간으로 400G가 필요한 고성능 컴퓨팅(HPC) 및 통신에 최적화되었습니다.
도전 과제 :
- 확장성 제한: 400G에 초점을 맞추고 800G로 확장할 수 있는 명확한 경로가 없어 QSFP-DD보다 미래 지향적이지 못합니다.
- 진화하는 생태계: 최신 표준인 QSFP112는 공급업체 지원이 제한적이어서 가용성이나 호환성 문제가 발생할 가능성이 있습니다.
- 신호 복잡도: 4Gb/s의 PAM112는 신호 무결성 문제를 증가시켜 고급 오류 수정이 필요합니다.

400GbE의 구현 과제

더 빠른 속도와 PAM4 변조 방식의 활용은 처리량을 크게 향상시키지만, 물리 계층의 복잡성이 높아지고 신호 전송 오류가 발생하기 쉽습니다.

첫 번째 문제는 400G 전기 인터페이스에서 더 높은 레인 속도가 신호 전송에서 더 많은 잡음(신호 대 잡음비라고도 함)을 의미한다는 것입니다. 또한 높은 신호 대 잡음비는 BER(비트 오류율)을 증가시켜 신호 품질에 영향을 미칩니다.

또한, 물리적 외관 계층에서 400G 광 모듈의 경우, 고속 인터페이스에는 더 많은 전기 입력 인터페이스, 전기 출력 인터페이스, 광 입력 인터페이스, 광 출력 인터페이스, 그리고 기타 전원 및 저속 관리 인터페이스가 포함됩니다. 이러한 인터페이스의 모든 성능은 400G 표준을 준수해야 합니다. 그러나 크기는 400G 트랜시버 기존의 100G 트랜시버와 유사합니다. 이러한 인터페이스를 통합하려면 더욱 정교한 제조 기술이 필요하며, 해당 모듈의 품질을 보장하기 위한 해당 성능 테스트도 필요합니다.

동시에, 400G 트랜시버 테스트의 복잡성은 광 모듈 공급업체들에게 새로운 과제를 안겨줍니다. 사용자에게 트랜시버 품질을 보장하기 위해 공급업체는 트랜시버 테스트 장비와 R&D 기술에 큰 중요성을 부여해야 합니다. 경쟁적인 가격 책정 모델을 저해할 수 있는 관련 개발 및 제조 테스트 비용을 절감하면서 신제품이 400G 업그레이드를 지원하도록 하는 것이 바로 공급업체들이 해결해야 할 과제입니다.