QSFP-DD vs OSFP vs QSFP56 vs QSFP: vantagens e desafios

O 5G, a Internet das Coisas (IoT) e o crescente transporte de dados baseado em vídeo exercem forte pressão sobre operadoras e data centers para atualizar sua capacidade de rede para oferecer suporte a esses aplicativos com uso intensivo de dados. Além disso, as recentes mudanças comportamentais provocadas pela pandemia do COVID-19, como trabalho remoto, aprendizado remoto e aumento do streaming para entretenimento, continuarão bem após o término dessa crise de saúde. Como a explosão nas demandas de capacidade de aplicativos com fome de dados supera as habilidades atuais de transporte de alta velocidade, 400G é uma nova tecnologia promissora que suporta uma necessidade imediata em fibra óptica com despesas operacionais comparativamente baixas (OPEX) e uma pegada menor.

400G QSFP-DD Baseado em Modulação PAM4

PAM4 é o principal método de modulação de 400G QSFP-DD, e existem dois tipos: multimodo e modo único. O 400G QSFP-DD baseado na modulação PAM4 usa modulação 8x50G PAM4 no lado da porta elétrica e tipos de modulação 8x50G PAM4 e 4x100G PAM4 no lado da porta óptica.

Figura 1: 400G QSFP-DD com base na modulação PAM4

Multimodo 400G QSFP-DD

O QSFP-DD multimodo 400G possui interfaces SR8 e SR4.2, ambas usando modulação PAM8 50x4G.

SR8: “SR” refere-se ao uso de fibra multimodo para transmitir uma distância de 100m, e “8” indica que existem 8 canais ópticos. Um total de 16 fibras (8 Tx e 8 Rx) são necessárias para cada canal óptico operando em 50G PAM4. O módulo SR8 usa conectores MPO-16 ou conectores MPO-24 para conectar 8 pares de fibras.

Figura 2: conector MPO-16 e conector MPO-24

SR4.2: “SR” refere-se ao uso de fibra multimodo para transmitir uma distância de 100m, “4” indica que existem quatro canais ópticos e “2” indica que cada canal usa dois comprimentos de onda. Cada canal óptico opera em 2x50G PAM4, exigindo um total de 8 fibras, e os comprimentos de onda são bidirecionais e multiplexados. Os módulos SR4.2 usam conectores MPO-12, e a principal vantagem do SR4.2 é que ele pode continuar usando os recursos de fibra existentes instalados.

Figura 3: MPO-12 BiDi

Cada fibra de SR4.2 no conector MPO-12 transporta sinais PAM2 bidirecionais 50x4G. O SR4.2 também suporta interfaces de conector MDC e SN.

PMD	A distância de transmissão	Tipo de fibra	Porta ótica	Número de núcleos de fibra	Wavelength	Método de modulação
SR8	100m	Multimodo paralelo	MPO- 16 (APC) ou MPO-24(PC)	16	850nm	50G PAM4
SR4.2	100m	Multimodo paralelo	MPO- 12 (APC)	8	850nm / 910nm	50G PAM4

Tabela 1: QSFP-DD de modo mluti de 400 G

400G QSFP-DD de modo único

O 400G QSFP-DD de modo único pode ser dividido em dois grupos. Um grupo de portas ópticas é modulado com 8x50G PAM4 e o outro grupo é modulado com 4x100G PAM4. Ambos os métodos usam o DSP como um CDR (nenhum CDR analógico é construído) ou usam uma combinação de Gearbox e CDR. A diferença é a taxa de sinalização no lado da linha e o número de lasers usados.

Figura 4: Dois grupos de 400G QSFP-DD de modo único

QSFP-DD de modo único baseado em 8 × 50G PAM4

Existem três tipos gerais: FR8, LR8 e 2xFR4. FR8 e LR8 são as primeiras interfaces monomodo 400G disponíveis. “8” significa 8 comprimentos de onda e cada um funciona a 50G PAM4. “FR” significa transmissão de 2 km e “LR” significa transmissão de 10 km. 8 comprimentos de onda são multiplexados em uma fibra. FR8 e LR8QSFP-DD usam interfaces ópticas LC duplex.

Figura 5: QSFP-DD de modo único baseado em 8×50G PAM4

O 2xFR4 QSFP-DD utiliza 8 lasers, mas em dois grupos de 4 comprimentos de onda (seguindo o padrão 200G FR4). Os dois conjuntos são multiplexados na fibra separadamente e o QSFP-DD fornece sinais 2x200G em 2 conectores CS.

PMD	A distância de transmissão	Tipo de fibra	Porta ótica	Número de núcleos de fibra	Wavelength	Método de modulação
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

Tabela2: transceptor óptico monomodo baseado em 8×50G PAM4

No entanto, existem comérciosoffs ao usar uma solução 8x50G. Por um lado, eles offMelhoram os orçamentos de link em alguns casos, mas, por outro lado, os custos totais do laser por módulo são maiores e o empacotamento óptico é mais complexo, resultando em rendimentos menores e custos de produção mais altos. Por outro lado, os módulos 4x100G têm menor consumo de energia e recursos de processamento térmico mais simples, de modo que os dispositivos estão mudando gradualmente para soluções 4x100G.

Módulo óptico de modo único baseado em 4x100G PAM4

Os módulos ópticos 4x100G QSFP-DD são o foco atual do mercado, e a parte mais comum é o uso de 4 pistas com 100G PAM4 no lado da linha. Aqui, podemos classificar os módulos ópticos em dois tipos: multifibra e fibra dupla. Os elementos-chave nesses módulos ópticos são DSPs habilitados para Gearbox, incluindo DR4, FR4 e LR4.

No módulo óptico DR4, o DSP converte o sinal elétrico 8x50G PAM4 em 4x100G PAM4 e o transmite para o motor óptico. Ao mesmo tempo, o DSP atua como um CDR. No DR4, cada canal opera em 1310nm e requer uma fibra, portanto, são necessárias 8 fibras no total.

Figura 6: Módulo óptico de modo único baseado em 4x100G PAM4

As funções básicas dos DSPs FR4 e LR4 são as mesmas do DR4. Mas agora 4 comprimentos de onda (CWDM4) são usados ​​em vez de quatro sinais de 1310nm e um multiplexador é adicionado para combinar esses sinais CWDM. Desta forma, o número de fibras ópticas necessárias é reduzido para 2 (TX+RX), e é utilizada uma porta óptica duplex LC.

Figura 7: 4x100G FR4 de modo único

Para o LR4, existem duas rotas diferentes e provavelmente teremos duas versões. Um para 6km (IEEE) e outro para 10km (100G lambda MSA).

PMD	A distância de transmissão	Tipo de fibra	Porta ótica	Número de núcleos de fibra	Wavelength	Método de modulação
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

Tabela3: Módulo óptico de modo único baseado em 4×100G PAM4

No futuro, considerando os custos, a transmissão 400G com sinais ópticos de 4 vias pode se tornar popular. Ao mesmo tempo, a porta elétrica do módulo óptico também pode ser gradualmente atualizada para a forma de 4 × 100G PAM4 para economizar o chip da caixa de engrenagens e economizar no consumo e custo de energia.

QSFP-DD versus QSFP (QSFP+/QSFP28)

A nova interface QSFP-DD expande o fator de forma plugável QSFP, uma interface elétrica de quatro vias amplamente adotada, usada em switches Ethernet que permite a interconexão entre switches ou servidores. As quatro pistas elétricas da QSFP operam a 10 Gb / s ou 25 Gb / s, fornecendo soluções para agregados de 40 Gb / s ou 100 Gb / s. As interfaces elétricas do fator de forma plugável 400G QSFP-DD empregam oito pistas que operam com modulação NRZ de até 25 Gb / s ou modulação PAM50 de 4 Gb / s, fornecendo soluções de até 200 Gb / s ou 400 Gb / s agregados. Isso pode habilitar até 14.4 TB / s de largura de banda agregada em um único slot de switch e atender ao rápido crescimento do tráfego do data center.

As densidades de porta do sistema são idênticas entre as especificações do módulo QSFP-DD e QSFP28. No entanto, como cada porta QSFP-DD pode acomodar 8 pistas em vez de 4, QSFP-DD dobra o número de portas ASIC que suporta para interfaces existentes, como CAUI-4. QSPF-DD fornece a maior densidade de BW de qualquer módulo conectável.

A densidade BW de QSFP-DD

Os sistemas projetados com módulos QSFP-DD são compatíveis com versões anteriores, permitindo que suportem módulos QSFP existentes e forneçam flexibilidade para usuários finais e projetistas de sistemas. A compatibilidade com versões anteriores é extremamente importante para a indústria. A economia de escala alcançada devido à compatibilidade com versões anteriores o torna altamente desejável.

Em suma, 400G QSFP-DD é um pouco mais longo que QSFP+/QSFP28, mas a densidade da porta é a mesma e a largura de banda é aumentada para 10 vezes ou 4 vezes o último, e é compatível com versões anteriores, o que significa que os clientes podem pular o sistema QSFP e implantar diretamente o QSFP- Sistema DD, o que reduz muito os custos do equipamento.

QSFP-DD x OSFP

Primeiro, vamos dar uma olhada no transceptor OSFP. O OSFP 400G é um novo fator de forma conectável com oito pistas elétricas de alta velocidade que suportarão inicialmente 400 Gb/s (8x50 G). É um pouco mais largo e profundo que o QSFP, mas ainda suporta 36 portas OSFP por painel frontal de 1U, permitindo 14.4Tb/s por 1U. Na verdade, não há muita diferença entre esses dois fatores de forma. Por exemplo, vamos comparar QSFP-DD DR4 com OSFP DR4. O OSFP DR4 é um módulo ótico Octal Small Form-factor Pluggable (OSFP) de 400 Gb / s projetado para aplicações de comunicação ótica de 500 m. O módulo incorpora 4 canais paralelos em comprimento de onda central de 1310 nm, operando a 100 G por canal. O caminho do transmissor incorpora um driver EML de quatro canais junto com 4 EMLs paralelos. Enquanto o QSFP-DD DR4 também suporta uma distância máxima de transmissão de 500 metros em comprimento de onda central de 1310 nm. Mas a parte diferente é que o módulo QSFP-DD DR4 converte 8 canais de sinal elétrico de 50 Gb / s (PAM4) em 4 canais de dados de saída ótica paralela, cada um capaz de taxa de dados de 100 Gb / s para uma largura de banda agregada de 400 Gbls. 

Em segundo lugar, sobre a capacidade térmica e o consumo de energia. O QSFP-DD é menor em tamanho, então sua capacidade térmica é de apenas 7 a 12 watts. Embora o transceptor OSFP seja maior em tamanho, sua capacidade térmica pode chegar a 12 a 15 watts. Quanto maior for a capacidade térmica, maior será o consumo de energia que o módulo óptico pode suportar.

Em terceiro lugar, o tamanho maior do 400G OSFP, o dissipador de calor integrado e os contatos de linha única foram inicialmente considerados melhores. A integridade do sinal por meio do conector e os desafios de resfriamento térmico foram as principais áreas de foco. No entanto, a compatibilidade com versões anteriores do QSFP-DD para QSFP28 de baixa velocidade provou ser um sucesso de mercado, uma vez que as preocupações técnicas foram dissipadas.

QSFP-DD versus CFP8

A série CFP começou com CFP, passou para CFP2, depois para CFP4 e, finalmente, para CFP8, que também é uma série de fator de forma estabelecida há muito tempo. Em comparação com a série QSFP, a série CFP parece ter sido menos popular, por razões óbvias - tamanho grande e alto consumo de energia.

Compare QSFP-DD e CFP8, a primeira coisa óbvia é o tamanho - o tamanho do CFP8 (41.5 mm * 107.5 mm * 9.5 mm) é significativamente maior do que QSFP-DD e o volume é mais de três vezes maior do que o do QSFP-DD .

Além disso, para compatibilidade com versões anteriores, não há nenhuma menção de compatibilidade com versões anteriores na especificação de hardware do CFP8 (na verdade, toda a série CFP não parece ser compatível com versões anteriores). Para os módulos ópticos das séries CFP e CFP2, o adaptador CFP para QSFP28 e o adaptador CFP2 para QSFP28 estão disponíveis há muito tempo, indicando que alguns usuários mudaram para os módulos ópticos QSFP28.

Então a largura de banda máxima de CFP8 e QSFP-DD é 400Gb / s, mas o CFP8 suporta apenas 400 Gb/s (16x25G ou 8x50G), enquanto o QSFP-DD suporta 200Gb/s (8x25G) e 400Gb/s (8x50G). Em resumo, o QSFP-DD parece ser uma escolha melhor do que o CFP8, independentemente de qualquer aspecto.

QSFP-DD versus QSFP56

Como uma evolução dos anteriores 40G QSFP + e 100G QSFP28, Quad 50 Gigabits Small Form-factor Pluggable (QSFP56) é o projetado para 200G Ethernet. QSFP56 denota 4 x 50 a 56 Gb / s em um fator de forma QSFP. Às vezes, também pode ser referido como 200G QSFP por uma questão de simplicidade. Os módulos ópticos QSFP56 são semelhantes aos QSFP em termos de tamanho e formato. Geralmente, dois módulos QSFP56 podem ser usados ​​com um SMF ou MMF para realizar um link de 200G. 

A última iteração do fator de forma do módulo óptico é de QSFP56 para QSFP56-DD, também denominado 400G QSFP-DD. Embora QSFP56-DD tenha uma densidade dupla, seu tamanho é semelhante ao QSFP56. A porta 400G QSFP56-DD é compatível com as versões anteriores do transceptor QSFP, o que significa que, desde que o switch suporte, o QSFP56 pode funcionar na porta QSFP56-DD. Ao usar um módulo QSFP56 em uma porta QSFP56-DD, esta porta será configurada para uma taxa de dados de 200G, em vez de 400G.

Desafios de implementação de 400GbE

Velocidades mais altas e a utilização da modulação PAM4 trazem grandes melhorias no rendimento, mas também resultam em alta complexidade na camada física e causa erros de transmissão de sinal facilmente.

O primeiro problema é que a maior velocidade da pista nas interfaces elétricas 400G significa mais ruído (também chamado de relação sinal-ruído) na transmissão do sinal. E a alta relação sinal-ruído causa um aumento na taxa de erro de bit (BER), que por sua vez afeta a qualidade do sinal.

Além disso, na camada de aparência física, para módulos ópticos de 400G, suas interfaces de alta velocidade incluem mais interfaces de entrada elétrica, interfaces de saída elétrica, interfaces de entrada ótica, interfaces de saída ótica e outras interfaces de gerenciamento de energia e baixa velocidade. Todo o desempenho dessas interfaces deve ser feito a uma reclamação dos padrões 400G. No entanto, o tamanho do Transceptores 400G é semelhante aos transceptores 100G existentes, a integração dessas interfaces necessita de tecnologia de fabricação mais sofisticada, bem como testes de desempenho correspondentes para garantir a qualidade desses módulos.

Ao mesmo tempo, o complexo do teste do transceptor 400G também traz novos desafios para os fornecedores de módulos ópticos. Para garantir a qualidade do transceptor para os usuários, os fornecedores devem dar grande importância ao equipamento de teste do transceptor e à técnica de P&D. Como garantir que os novos produtos suportem a atualização 400G enquanto reduzem os custos de teste de fabricação e desenvolvimento associados que podem prejudicar os modelos de preços competitivos, eles devem lidar.