400G: 백본 네트워크의 최신 동향

백본 네트워크 통신의 최신 추세는 400Gbps 기술의 채택입니다. 이 중요한 업그레이드는 400년에 상용 2023G 서비스를 본격적으로 출시하고 2024년에 대중 시장 애플리케이션으로 확장을 계획하는 등 작년부터 진행되었습니다. China Mobile이 세계 최초로 2024년 400월에 주목할만한 이정표를 달성했습니다. XNUMXGbps 전광 대륙 횡단(베이징에서 내몽고까지) 백본 라인.

400Gbps 백본 네트워크로의 전환은 여러 요인에 의해 주도됩니다. 고화질 비디오 스트리밍, 원격회의, 라이브 스트리밍, 온라인 게임 등 디지털 라이프 스타일의 증가로 인해 초고속 인터넷에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있습니다. 또한, 산업 전반에 걸친 디지털 혁신의 추진으로 인해 디지털 시스템의 데이터 트래픽이 급증하여 백본 네트워크에 부담이 더욱 가중되었습니다.

또 다른 중요한 요인은 AI 붐이다. 대형 AI 모델이 등장하면서 AI 발전의 물결이 일고 있다. AI 비즈니스의 수요를 충족시키기 위해 수많은 데이터 센터가 건설되고 있습니다. 이러한 모델은 수십억 개의 매개변수를 갖는 것에서 수백억 개로 진화했으며, 이에 따라 GPU 컴퓨팅 클러스터를 수천 테라플롭에서 수만 테라플롭으로 확장해야 합니다.

이전에는 GPU 컴퓨팅 클러스터가 데이터 센터 내부 네트워크(DCN)의 일부였습니다. 그러나 이러한 클러스터의 크기가 커지면서 모델 교육을 위해 분산 데이터 센터를 배포하는 방향으로 전환되고 있습니다. 이러한 변화로 인해 DCI(데이터 센터 상호 연결 네트워크)에 대한 수요가 높아지므로 이러한 기술 성능 요구 사항을 충족할 수 있는 백본 광 네트워크가 필요합니다.

컴퓨팅 파워에 대한 중국의 전략적 접근 방식은 여전히 ​​'국가 조정 및 종합 계획'에 초점을 맞추고 있습니다. 2022년 XNUMX월부터 국가 통일된 전산전력체계 구축을 위한 동서컴퓨팅사업이 본격 추진된다. 본질적으로 여기에는 계산 능력을 분산하고 다양한 산업의 다양한 요구를 충족하기 위해 수많은 데이터 센터(발전소와 유사)와 강력한 백본 전송 네트워크(전력망과 유사)를 구축하는 것이 포함됩니다.

백본 네트워크 통신에서 400Gbps의 구현은 여러 핵심 영역의 발전의 결과입니다. 우리 디지털 사회의 기반이 되는 백본 네트워크는 초고대역폭(400Gbps 및 잠재적으로 800Gbps 또는 1.6Tbps), 초저지연(다단계 대기시간 링), 초대형 메싱(서비스 제공)을 갖추어야 합니다. 분산 컴퓨팅 및 AI 클러스터), 초고신뢰성, 초고가용성, 초고보안, 초유연한 배포, 지능형 운영 및 관리를 제공합니다.

현재의 400Gbps 속도를 달성하려면 다음과 같은 측면이 중요했습니다.

첫째, 전송 속도입니다. 전송 속도는 초당 비트 수(bps)로 측정되며 특정 기간 동안 전송된 비트 수를 나타냅니다.

비트 전송률 = 보오드 율 * 기호당 이진 비트 수

전송 속도는 단위 시간당 전송되는 기호 수에 따라 결정됩니다. 기호 속도가 높을수록 초당 더 많은 기호가 전송되므로 정보 양이 늘어나고 속도가 빨라집니다.

전송 속도는 광학 부품의 성능에 따라 제한됩니다. 반도체 제조 기술이 16nm에서 7nm, 5nm로 발전하면서 심볼레이트도 30Gbaud 이상에서 64Gbaud, 90Gbaud, 128Gbaud로 증가했습니다. 현재 400Gbps의 상업적 사용은 128Gbaud의 기호 속도를 달성함으로써 가능해집니다.

둘째, 변조 방식입니다.

400G 기술에 사용되는 변조 방식에는 16QAM, 16QAM-PCS(PCS는 Probabilistic Constellation Shaping을 의미하며 나중에 자세히 설명함) 및 QPSK가 포함됩니다. 이러한 방식은 다양한 애플리케이션에 적합합니다.

광 통신과 무선 통신은 고차 변조에 대한 접근 방식이 다릅니다. 저차 변조에는 전송에 대한 덜 엄격한 요구 사항이 필요합니다. *6-+처음에는 16QAM 및 QPSK에 중점을 두었습니다. 16QAM-PCS가 도입되면서 경쟁이 더욱 치열해졌습니다.

처음에는 "East-West Computing"에 대한 언급이 없었으며 운영자는 400G가 장거리 전송을 필요로 하지 않을 것이라고 믿었습니다. 따라서 업계 표준이 된 16QAM과 같은 고차 변조 방식과 함께 보다 성숙하고 비용 효율적인 낮은 기호 속도 구성 요소가 사용되었습니다.

그러나 전송을 위한 거리 요구 사항이 1000km 이상에서 수천 km로 증가하고 128 Gbaud 기호 속도 구성 요소의 급속한 성숙으로 인해 800Gbps DCN 시나리오에서는) QPSK가 돋보일 수 있는 조건이 만들어졌습니다.

QPSK는 16QAM-PCS에 비해 비선형성에 대한 내성이 더 높으므로 광섬유로의 발사 전력을 적절하게 증가시킬 수 있습니다. 또한 QPSK의 역방향 OSNR(광 신호 대 잡음비) 제한은 16QAM-PCS보다 더 잘 최적화되었습니다. 또한 QPSK의 채널 간격을 150GHz로 설정하면 전송 중 필터링 비용이 거의 발생하지 않습니다.

이러한 장점으로 인해 QPSK는 백본 네트워크 및 DCI에 대해 업계에서 선호하는 선택으로 점점 인기를 얻고 있습니다.

처음 두 시나리오에 대한 고려의 초점은 도시 또는 지방 적용에 있었습니다. 세 번째 시나리오에는 대역폭 확장이 포함됩니다.

대역폭과 변조는 주로 단일 채널의 속도에 영향을 미칩니다. 주파수 스펙트럼이 충분히 넓다면 단일 광섬유는 여러 파동을 전달할 수 있습니다. 단일 광섬유의 대역폭을 계산하는 공식은 다음과 같습니다.

단일 파이버 대역폭=단일 채널 대역폭×채널 수

예를 들어 QPSK 400G의 채널 간격은 150GHz입니다. 기존 C-대역과 확장된 C-대역은 대역폭 요구 사항을 충족하기에 충분하지 않습니다.

따라서 총 6THz의 대역폭을 제공하는 C6T+L12T를 사용하는 방향으로 점진적인 전환이 이루어지고 있습니다. 80개의 채널이 있고 각각 400G에서 작동하므로 단일 파이버 용량은 32Tbps입니다. 지방에서 사용하기 위해 일부 거리가 희생되는 경우 QPSK 또는 16QAM-PCS를 사용하면 용량을 48Tbps까지 추가로 늘릴 수 있습니다.

대역폭 확장의 주요 과제는 장비가 이를 지원할 수 있는지 여부와 비용을 제어할 수 있는지 여부입니다. 문제의 장비로는 ITLA, CDM, ICR, EDFA, WSS 등이 있는데, 이들 장비에는 빛의 수신과 전송, 광 스위칭과 증폭 등의 측면이 포함된다.

대역폭 확장은 통합 문제도 제기합니다.

현재 대역폭 확장은 두 시스템(C 및 L)의 단순 바인딩과 더 유사합니다. 이들 시스템은 독립적으로 작동하며 결합된 파동을 통해 전송됩니다. 목적지에 도달하면 다중화되어 별도로 처리됩니다.

이 접근 방식을 사용하면 볼륨이 커지고 전력 소비가 높아지며 설계가 더욱 복잡해집니다. 따라서 업계에서는 단일 시스템이 다양한 대역폭 확장을 지원하고 진정한 시스템 통합을 달성할 수 있도록 구성 요소를 통합하는 방법을 연구해야 합니다.

변조기 및 광학 장치 외에도 광섬유에도 주의가 필요합니다.

현재 사용되는 주류 광섬유는 G.652D 광섬유입니다. G.400D 광섬유의 652G QPSK는 EDFA를 사용하여 증폭되어 최대 1500km의 전송 거리를 달성할 수 있습니다.

업계의 수년간의 검증 끝에 G.654E 섬유가 그 후속 제품으로 자리 잡았습니다. 동일한 조건에서 더 나은 성능의 G.654E 광섬유를 사용하면 400G QPSK의 전송 거리가 30% 이상 증가할 수 있습니다.

G.654E 광섬유는 이미 대량 생산 능력을 달성했으며 장거리 백본 라인에 배치될 예정입니다. G.654 시리즈의 일부 저손실 광섬유는 장거리 대양 횡단 케이블 시스템에 선호되는 선택이 되었습니다.

업계에서는 전통적인 섬유 외에도 다중 코어 섬유와 중공 코어 섬유가 광범위한 응용 가능성을 갖고 있다고 믿고 있습니다.

멀티 코어 광섬유는 여러 코어를 삽입하여 단일 광섬유 내에서 공간 분할 다중화의 한 형태입니다. 광섬유의 용량을 크게 늘리기 위해 저변조 형식을 채택했습니다.

중공 코어 섬유는 섬유를 속으로 만들고 유리 코어를 공기로 대체함으로써 한 단계 더 발전합니다.

중공 광섬유는 더 큰 용량, 더 낮은 지연 시간, 더 작은 전송 손실, 매우 낮은 비선형성을 제공하는 것으로 입증되었습니다. 중공 광섬유는 광통신 분야에서 상당한 잠재력을 가지고 있다는 것이 업계에서 만장일치로 인정받고 있습니다.

800G 또는 1.6T

400G의 상용 출시 이후 다음 단계는 기술 표준 시스템 내에서 400G 이상(400G 이상) 기술에 집중하는 것입니다.

업계에서는 현재 800G를 추구할지, 아니면 XNUMXG를 추구할지 논의 중이다. 1.6T.

더 빠른 속도를 달성하려면 '변조 방식 + 비트 전송률'에 대한 추가 개발이 이루어져야 합니다. 예를 들어 130GBd 이상의 비트 전송률은 불가피한 방향입니다. 비트 전송률이 높을수록 성숙한 산업 체인을 형성하기 위해 해당 장비의 발전이 필요합니다.

400G를 초과하면 QPSK 변조가 더 이상 충분하지 않음을 의미합니다. 16QAM 변조는 현재 업계에서 널리 받아들여지고 있습니다.

대역폭도 추가 확장이 필요합니다. C+L의 기반을 바탕으로 S-대역, U-대역, E-대역 등으로 확장하는 것을 고려해야 하며, 이로 인해 12T+5T 또는 17THz의 결합 대역폭이 생성됩니다.

여러 요인을 고려하면 단일 광섬유가 도달 범위 내에서 100Tbps를 초과하는 단방향 전송 속도를 달성할 수 있다고 생각할 수 있습니다.

데이터센터 내부 네트워크 내에서는 800G(단일 채널 운영 시 100GBd를 초과하는 비트레이트 기준)가 이미 상용화됐다. 200G, 400G, 800G의 단일 채널 속도는 시간 문제일 뿐입니다. 이 분야의 진전은 국제적으로 더 빨랐습니다.

용량이 계속해서 기하급수적으로 증가함에 따라 기술적 과제도 늘어나고 있습니다. 광통신의 발전은 장치 및 칩과 같은 구성 요소에 크게 의존합니다. 공정기술; 재료.

전력 소비와 관련된 요구 사항을 충족합니다. 안전; 유지; 등, 제조 공정에도 의존도가 확대됩니다. 건축학; 포장; 인공지능; 디지털 트윈.

산업 체인 내 업스트림 및 다운스트림 부문에 대한 많은 작업이 남아 있습니다.

앞으로의 길은 멀다.

요약

광통신은 사회 전체의 디지털 동맥입니다. 수년에 걸쳐 사람들은 5G를 포함한 많은 기술에 의문을 제기했지만 광통신은 사회 발전에 즉각적인 필요이기 때문에 누구도 의문을 제기하지 않을 것입니다.

인간의 데이터 트래픽이 증가하는 추세는 앞으로 수십 년 동안 변함이 없습니다. 인공지능 기술의 급속한 발전은 이러한 추세를 더욱 증폭시킬 것입니다.

현재 광통신의 발전은 수요를 충족시킬 수 없습니다. 이는 기업이 수익을 창출하기 위해 연구 개발에 자원을 투자할 유인이 더 커진다는 것을 의미합니다.