Rota tecnológica de 400G a 800G para transceptores ópticos 1.6T

Módulo ótico conectável 800G

Em uma rede de data center, o desempenho e a largura de banda do chip switch são fatores muito importantes, e o desempenho e a largura de banda do chip switch dependem de seu circuito SerDes interno, que é um tipo de circuito que converte dados seriais em dados paralelos ou dados paralelos para dados seriais e permite comunicação de dados de alta velocidade, baixo consumo de energia e baixa latência. Os principais SerDes no mercado hoje têm uma velocidade de 100 Gbps (100 bilhões de bits por segundo), o que significa que cada canal pode transmitir 100 Gbps de dados. Esta tecnologia SerDes é conhecida como 100G SerDes. de acordo com um relatório, a largura de banda dos chips switch usando 100G SerDes deverá exceder a largura de banda de todo o mercado Ethernet em 2022 até 2023, atingindo 13.8 ZB (13.8 Gigabytes por ano).

A fibra 800G e a Ethernet 800G são duas tecnologias emergentes à medida que a necessidade de transmissão de dados em alta velocidade nas redes de data centers continua a crescer. 800G Fiber é um dispositivo óptico que pode transmitir 800 Gbps de dados por fibra óptica. A fibra 800G pode ser implementada usando diferentes configurações de SerDes, como 400G duplo ou oito 100G. A fibra 800G tem a vantagem de melhorar o desempenho e a eficiência da rede, mas a desvantagem de maior consumo e custo de energia. Atualmente, a fibra 800G está em seus estágios iniciais e é offoferecido por alguns dos principais fornecedores e é usado principalmente para interconectar data centers em hiperescala.

800G Ethernet é um padrão de rede que define como transmitir 800 Gbps de dados pela Ethernet. A especificação Ethernet 800G foi finalizada pela Ethernet Technology Alliance em abril de 2020. A especificação Ethernet 800G inclui uma variedade de parâmetros de interface de camada física (PHY) e camada de controle de acesso de mídia (MAC) para acomodar diferentes cenários de aplicação e requisitos de distância. A vantagem da Ethernet 800G é que ela pode fornecer maior capacidade e flexibilidade de rede, mas a desvantagem é que requer tecnologia mais complexa e trabalho de padronização. Atualmente, a Ethernet 800G ainda está em fase de desenvolvimento e espera-se que os produtos comerciais comecem a aparecer em 2023. A óptica 800G estará pronta antes da Ethernet 800G. O rápido crescimento da computação em nuvem criou uma demanda por óptica 800G, especialmente para aplicações de IA/ML que dependem de óptica de alto desempenho e baixo custo. A óptica 800G pode fornecer maior largura de banda e eficiência espectral, suportar formatos e algoritmos de modulação mais complexos e se adaptar a diferentes arquiteturas e cenários de rede de data center. A óptica 800G também permite implantações híbridas com óptica 400G para maior flexibilidade e compatibilidade de rede. A óptica 800G também pode ser implantada de forma híbrida com a óptica 400G para maior flexibilidade e compatibilidade de rede.

Por que escolher a óptica 800G?

1. Redução de custos: a óptica 800G pode economizar custos no nível óptico e do sistema, como reduzir o uso de fibra óptica, diminuir o número de módulos ópticos e melhorar a integração e confiabilidade do sistema. Além disso, os dispositivos ópticos 800G também podem utilizar a tecnologia e equipamentos 100G e 400G existentes para reduzir o custo de P&D e produção.

2. Redução do consumo de energia: dispositivos ópticos 800G podem obter economia de energia no nível óptico e do sistema, como usar formatos de modulação mais eficientes, otimizar o design do circuito e reduzir a densidade de potência. De acordo com um estudo, o consumo de energia dos módulos ópticos 800G é cerca de 30% menor do que o de Módulos ópticos 400G.

3. Maior densidade: a óptica 800G pode aumentar a densidade de transmissão da rede para atender à alta demanda por largura de banda em cenários como data centers e computação em nuvem. Por exemplo, módulos ópticos de 800G podem atingir uma taxa de transmissão de 800 Gbps por comprimento de onda, o que equivale a oito de 100 Gbps ou dois de 400 Gbps. Isso pode melhorar a taxa de utilização dos chips de switch e acompanhar o roteiro do chip de switch.

Aplicações de breakout 800G

1. A tecnologia breakout 800G permite combinações eficientes de vários casos de uso, suporta agregação e embaralhamento e melhora a tolerância a falhas e a flexibilidade da rede, ao mesmo tempo que aumenta o número de portas e a largura de banda do switch.

2. A tecnologia de breakout 800G para Dual 400G-DR4/FR4/LR4/ER4 permite a interconexão entre dois módulos ópticos 400G, cobrindo diferentes distâncias e cenários de transmissão e reduzindo custos e complexidade ao utilizar LC duplo, Mini-LC duplo ou MPO duplo, que são conectores de fibra comuns.

3. 800 G DR8 a tecnologia breakout pode dividir um módulo óptico de 800G em módulos ópticos octais 100G DR, usando SN/MDC octal, um novo tipo de conector ultracompacto, para obter cabeamento de fibra óptica de alta densidade para atender à alta demanda de tráfego dos data centers.

Óptica Lambda 200G

200G Lambda é uma tecnologia emergente de transmissão óptica que pode atingir uma taxa de dados de 200 Gbps por comprimento de onda em uma única fibra, que tem as seguintes vantagens sobre a tecnologia tradicional 100G de vários comprimentos de onda:

1. Menor consumo de energia por bit: a tecnologia Lambda 200G economiza de 20% a 30% do consumo de energia porque requer apenas um laser e um receptor óptico, em oposição a quatro lasers e quatro receptores ópticos para a tecnologia 100G de vários comprimentos de onda. Além disso, a tecnologia 200G Lambda reduz o consumo de energia, reduzindo a complexidade do circuito e a sobrecarga de processamento de sinal.

2. Custo por bit reduzido: a tecnologia Lambda 200G pode reduzir o custo por bit em 50% porque reduz o número e o custo de lasers e terminações de fibra, bem como o número e o custo de módulos ópticos e links de fibra. Além disso, a tecnologia 200G Lambda pode utilizar tecnologia e equipamentos 100G existentes, reduzindo o custo de P&D e produção.

3. A melhor escolha para SerDes 200G no futuro: SerDes são circuitos que convertem dados seriais em dados paralelos, ou dados paralelos em dados seriais, e realizam comunicação de dados de alta velocidade entre o chip switch e o módulo óptico. A tecnologia 200G Lambda requer apenas um canal SerDes 200G para transmissão de dados de 200 Gbps, enquanto a tecnologia 100G de vários comprimentos de onda requer quatro canais SerDes 100G para realizar a mesma transmissão de dados.

Status atual do 200G Lambda

1. A viabilidade técnica foi estabelecida para uma variedade de tecnologias ópticas, como EML e SiPh.

2. Necessidade de finalizar novas especificações FEC e ópticas para a especificação 200G Lambda.

Necessidade de especificação Lambda 200G de vários fornecedores para permitir a implementação contínua de caixas de engrenagens Lambda 200G. A adoção do 200G Lambda começará em volume em 2024.

Módulo transceptor óptico plugável 1.6T

Roteiro de tecnologia de módulo óptico conectável

O 1.6T-OSFP (8x200G canais) é um módulo óptico de alta velocidade que fornece oito canais 200G de sinais ópticos em uma única interface OSFP para atingir uma largura de banda total de 1.6Tb/s. O módulo foi projetado para ser utilizado em uma ampla gama de aplicações, como na área de fibra óptica. Este módulo óptico utiliza tecnologia de modulação PAM4, que utiliza 50G de sinais elétricos por canal para acionar 100G de sinais ópticos. Para garantir o desempenho elétrico em 200G/canal, o Grupo de Trabalho OSFP MSA 200G ajustou as dimensões e especificações elétricas da interface OSFP em outubro de 2020, tornando o módulo óptico 1.6T-OSFP totalmente compatível com o módulo óptico 800G OSFP. Essa compatibilidade proporciona mais flexibilidade e escalabilidade para redes de data centers. Em conexão com chips de switch SerDes 200G, os módulos ópticos OSFP 1.6T podem ser conectados diretamente a chips de switch usando a tecnologia SerDes 200G sem a necessidade de conversores ou adaptadores adicionais. Isso reduz o custo da rede e o consumo de energia e melhora a eficiência da rede. Espera-se que os chips switch SerDes 200G se tornem a escolha principal para redes de data centers até 2025.

OSFP

Octal Small Form Factor conectável, XD=Extra Denso

À medida que a demanda por transmissão de dados de alta velocidade em redes de data centers continua a crescer, tem havido um forte interesse em módulos ópticos de 1.6T. Combinado com um chip de switch de 51.2T, o módulo óptico de 1.6T pode atingir densidade de switch de 51.2T em uma placa de linha 1U ou chassi fixo, reduzindo drasticamente os custos no nível do sistema. Este chip switch utiliza tecnologia 100G SerDes, o que significa que cada canal pode transportar 100 Gbps de dados. Esta tecnologia SerDes tornou-se uma escolha popular no mercado e espera-se que mais chips switch utilizem a tecnologia 100G SerDes entre 2023 e 2027.

OSFP-XD (Ultra High Density) é um novo tipo de módulo óptico com os seguintes recursos:

1. Suporta 16 canais elétricos, cada um dos quais pode atingir 100G ou 200G, resultando em uma taxa de dados total de 1.6T ou 3.2T.

2. Possui gerenciamento de energia eficiente, exigindo apenas 33 W de potência para suportar uma variedade de soluções ópticas, incluindo fibra monomodo, fibra multimodo e cabo de fibra óptica ativa.

3. Ele apresenta um design de pacote de alta densidade com o mesmo formato do OSFP (conectável de fator de forma pequeno de oito canais), mas com conectores e conjuntos de cabos de maior densidade. Isso o torna compatível com 800G-OSFPs empilhados, simplificando bastante a aceitação e implantação no mercado.

4. Possui compatibilidade flexível, pois pode coexistir com OSFP empilhado (conectável de fator de forma pequeno de dois canais) em uma única placa-mãe, fornecendo mais opções de configuração e recursos de expansão.

A Diferenças of 1.6T Módulo Óptico OSFP

Vantagens do QSFP-XD

1. É a solução óptica conectável mais densa do mercado atualmente e suporta 16 canais elétricos, cada um dos quais pode atingir 100G ou 200G, resultando em uma taxa de dados total de 1.6T ou 3.2T. Ele tem o mesmo formato do OSFP (Octal Small Form Factor Pluggable), mas utiliza um conector de alta densidade e conjunto de cabos. Isso o torna compatível com OSFP 800G empilhado, simplificando bastante a aceitação e implantação no mercado. Ele atende aos requisitos futuros de crescimento de densidade de chips e melhora o rendimento e a eficiência do sistema.

2. Suporta uma gama completa de tecnologias ópticas, incluindo 100G Lamdba, 200G Lambda e Coherent, que podem ser adaptadas a diferentes distâncias e cenários de transmissão. Ele pode suportar distâncias de transmissão de até 2 quilômetros em uma faixa de temperatura de 0 a 70°C com baixo consumo de energia inferior a 23W. Ele permite transmissão de dados de alta velocidade, eficiente e altamente confiável para atender às necessidades de data centers, computação em nuvem, inteligência artificial e outros campos.

3. Ele mantém todos os benefícios de um módulo óptico conectável, incluindo configurabilidade, facilidade de manutenção, flexibilidade técnica e muito mais. Também mantém o conhecido modelo de negócio da cadeia de abastecimento, permitindo aos clientes escolher os produtos e serviços mais adequados de vários fornecedores.

Como reduzir o consumo de energia por bit

Melhoria da Tecnologia de Processo (TSMC)

O processo de 3NM atinge quase metade da redução de potência no IsoSpeed ​​em comparação com o processo de 7NM.

Evolução da potência óptica conectável

Embora o consumo de energia de módulos individuais esteja aumentando de 400G para 1.6T, o consumo médio de energia por bit está diminuindo significativamente.

Maneiras de reduzir ainda mais o consumo de energia

1. Utilize tecnologias DSP de 3nm e 2nm: Essas tecnologias lógicas digitais avançadas podem reduzir drasticamente o tamanho e a resistência dos transistores, reduzindo assim as perdas de comutação e o consumo de energia estática do circuito.

2. Projetando interfaces SerDes de baixo consumo de energia: SerDes são interfaces que convertem dados seriais em dados paralelos e são comumente usadas para comunicações de alta velocidade. Podemos reduzir o consumo de energia do SerDes otimizando a codificação, modulação e filtragem, garantindo ao mesmo tempo a integridade e a confiabilidade do sinal.

3. Usa moduladores ópticos de baixa potência: Moduladores ópticos são dispositivos que usam fotônica para controlar sinais ópticos e são comumente usados ​​em comunicações de fibra óptica. Podemos reduzir a tensão de acionamento e a perda de inserção de moduladores ópticos, melhorando o guia de ondas óptico, eletrodos e materiais para reduzir o consumo de energia.

Ainda há muito espaço para inovação no futuro, incluindo a realização da transmissão 200G de comprimento de onda único, o desenvolvimento de lasers com melhor desempenho e a redução de perdas no processo de acoplamento e modulação. A meta para os próximos cinco anos é reduzir o consumo de energia para 5 a 6 pJ por bit, o que exigirá o uso de processadores de sinais digitais em processos de 2 nm, melhorando a eficiência de lasers e moduladores e reduzindo as perdas de acoplamento entre o laser e o guia de ondas.

Todas as ópticas se beneficiam do consumo reduzido de energia. As melhorias na potência óptica são amplamente independentes do formato.

Módulos ópticos conectáveis ​​fornecem um caminho de atualização suave para plataformas existentes de alto volume, permitindo que avanços em óptica de baixo consumo cheguem ao mercado rapidamente e em grandes volumes.

Resumo do consumo de energia

1. O consumo de energia por bit para switches está diminuindo significativamente, aproximadamente um fator de 2X para cada duas gerações de processos.

2. O consumo de energia por bit para módulos ópticos também está diminuindo significativamente, aproximadamente um fator de 2X para cada duas gerações de processo.

3. A potência por módulo óptico está aumentando, com capacidade crescendo de 400G->800G->1.6T.

4. Metas de poder para Módulos 1.6T: 20-25W para óptica do cliente, 25-30W para óptica DCI.

5. Fator de forma térmica robusto necessário para 20-30 W: OSFP fornece embalagem apropriada.

6. É necessária maior redução de potência: DSPs de 3/2 nm, Serdes de menor potência e moduladores.

Análise de CPO e Pluggable

CPO (óptica co-packaged) é uma tecnologia que integra firmemente um transceptor óptico ou mecanismo óptico com um chip de comutação, o que pode aumentar a velocidade e a densidade da transmissão de dados e reduzir o consumo de energia e a latência. Atualmente, CPO a tecnologia demonstrou alguns resultados nos laboratórios de empresas como Facebook e Microsoft e também é apoiada e promovida por organizações da indústria como OIF (Optical Interconnect Forum). No entanto, o CPO ainda enfrenta um número considerável de desafios, tais como como aumentar a potência e a eficiência dos lasers, como reduzir perdas e falhas de fibra e conectores, como garantir a capacidade de fabricação, reparação e manutenção dos módulos CPO, bem como como controlar o custo e o consumo de energia e assim por diante.

VSR substitui XSR SERDES. Os fornecedores de chips adicionaram um modo VSR SERDES de baixa potência aos seus chips de switch, permitindo que o chip de switch 51.2T obtenha 180 W de economia de energia na tomada em comparação com o LR SERDES.

VSR economizou cerca de 180 W para o switch 51.2T

O VSR nivela o campo de jogo. Embora a economia de energia de 180 W seja uma boa notícia, a mesma interface VSR SERDES de baixo consumo pode ser usada com módulos ópticos conectáveis.

O resultado: CPOs e módulos ópticos conectáveis ​​têm a mesma potência de link elétrico.

CPO + ELS aumenta a potência. A fonte de luz externa (ELS) do CPO introduz perdas adicionais de acoplamento óptico, que aumentam a potência do laser em comparação com módulos ópticos conectáveis ​​convencionais, tornando o CPO+ELS maior potência do que os módulos ópticos conectáveis.

Os módulos conectáveis ​​possuem um conector óptico e os módulos CPO possuem quatro conectores ópticos, o que resulta em perda óptica adicional significativa devido à perda adicional do divisor do conector e à polarização.

Perdas de acoplamento vs. conectável

1. Perdas adicionais no conector: 1.2-1.6 dB

Provavelmente serão necessários conectores de feixe expandidos para ELS.

2. Divisor e perdas de polarização: 0.6-1.2 dB

É muito difícil minimizá-los para um grande número de fibras.

6. Perdas adicionais totais de acoplamento: 1.8-3 dB

Aumenta a potência do laser em 50% a 100%.

Necessidade de redução adicional de energia

1. Direct Drive reduz potência eliminando DSP

É um desafio tornar isso um padrão para vários fornecedores.

2. Muito difícil reduzir a potência do laser com ELS

Perdas adicionais de acoplamento aumentam a potência do laser.

3. Tecnologias alternativas de modulação

Os moduladores fotônicos de silício têm alta perda de inserção.

Resumo do CPO

1. CPO não é necessário para switches 51.2T ou 102.4T

O problema foi resolvido com Pluggable Optics.

2. As ópticas conectáveis ​​800G e 1600G não apresentam risco

Sem problemas de design, capacidade de manutenção ou fabricação.

3. O CPO de hoje não está economizando energia em vez de plugável

A direção futura mais promissora para o CPO é o direcionamento direto.