Como personalizar módulos ópticos em data centers?

A 11ª Cúpula de Tecnologia do Departamento de Plataforma de Rede terminou com sucesso em Shenzhen em 6 de julho de 2022. Esta cúpula se concentrou nas quatro principais áreas de pesquisa e desenvolvimento de hardware, aceleração de hardware, produtos de rede e operações de rede. Ele demonstrou de forma abrangente a melhoria contínua das capacidades de pesquisa e desenvolvimento do departamento de plataforma de rede e dos resultados de exploração.

Módulos ópticos e aplicativos

Esta é a primeira vez que o módulo óptico aparece na conferência de tecnologia. A conferência revisou o processo de desenvolvimento de produtos de módulos ópticos desde o uso comercial até a customização. Concentrou-se no futuro, captou caminhos tecnológicos críticos e explorou novos modelos de desenvolvimento ao mesmo tempo.

Um módulo óptico é um pequeno sistema com funções e estrutura completas. A entrada do sinal elétrico é analisada por chips como o DSP, então entra no chip driver e então aciona o chip óptico para modulação. A luz modulada entra no sistema óptico passivo para acoplamento e, finalmente, a luz acoplada entra no sistema de fibra óptica para transmissão.

Os módulos ópticos não são exclusivos de data centers, mas são usados ​​primeiramente em redes de telecomunicações, especialmente redes de transmissão de longa distância. No entanto, com o desenvolvimento dos data centers, incluindo o aumento da largura de banda dos equipamentos, módulos ópticos passaram a ser utilizados nos data centers. Como a velocidade de desenvolvimento dos data centers é muito mais rápida que a do setor de telecomunicações tradicional, o crescimento da demanda por módulos ópticos em data centers também superou em muito o deste último.

Figura 1：Aplicações de Módulos Ópticos

Do uso comercial à aquisição

Para o data center, a rede 40G inicial é um sistema fechado. Por exemplo, o que o data center compra é todo o sistema de rede do fabricante tradicional de equipamentos, incluindo software, equipamentos de comutação e módulos ópticos. O custo dos sistemas comerciais é alto e não é fácil de operar e manter se houver algum problema. Essas são razões importantes para os data centers mudarem de uso comercial para compras.

Combinado com a aplicação online de servidores 25G, 25G SFP28, e os módulos ópticos 100G QSFP28 inevitavelmente enfrentarão desafios no início da aquisição. O primeiro desafio é a adaptação entre os dispositivos. Embora não haja problemas no teste de módulo óptico único, o data center encontrou muitos problemas de compatibilidade de equipamentos na fase de aquisição.

O data center descobriu que os módulos de diferentes fabricantes têm desempenhos diferentes em cada porta em dispositivos diferentes, e o desempenho em dispositivos diferentes também é diferente. Um esquema de adaptação perfeito deve ser feito para formar um sistema de teste complexo, para garantir que diferentes módulos possam se comunicar bem. Muitas vezes é necessário otimizar os parâmetros de porta um a um.

Figura 2：Controle de qualidade/custo de ponta a ponta

Mas será lucrativo se os módulos ópticos adquiridos puderem ser gerenciados com muito cuidado. Um grande número de módulos ópticos 40G QSFP apresentou mau funcionamento no data center entre 2015 e 2017. Isso ocorre principalmente porque o integrador de sistemas terceirizou todos os módulos ópticos, que tinham apenas uma compreensão superficial dos módulos ópticos. Além disso, o integrador depende do fabricante do módulo para interceptar o problema de qualidade do módulo óptico.

Se você combinar seus cenários de aplicação, gerenciar a solução técnica do módulo de ponta a ponta, controlar e otimizar seu processo e implementar a solução de gerenciamento de qualidade do sistema adequadamente, poderá evitar completamente os problemas acima. Através da otimização e controle contínuos do módulo de autoiluminação por 2 a 3 anos, não apenas o custo aumentou ano a ano no data center, mas também a qualidade foi aprimorada sistematicamente e a taxa de falhas do ambiente de produção aumentou foi continuamente reduzido.

Da aquisição à customização

Outra vantagem de adquirir módulos ópticos por conta própria é que ele pode atender às diversas necessidades de customização trazidas pelo desenvolvimento diversificado de redes de data centers. Por exemplo, cenários de monitoramento de espectro de 10 km exigem que módulos de 10 km sejam interconectados. Devido ao alto preço dos módulos transceptores integrados, os data centers usam a plataforma de módulo existente para fazer algumas pequenas melhorias para obter soluções de baixo custo.

Outro exemplo é a exigência de DCI para divisão de luz de 2 km. Todo o projeto é muito lucrativo, mas a solução técnica é muito desafiadora. É necessário combinar o ambiente de rede do data center e realizar uma otimização profunda do projeto dos módulos, que inclui uma série de atualizações na parte óptica do módulo e no nível do chip.

Figura 3: Atenda a uma variedade de necessidades personalizadas

Com o lançamento de servidores 100G em lotes, a rede 200G inicia aplicativos de produção em massa. Os módulos ópticos usados ​​em toda a rede são atualizados de 100G QSFP28 para 200G QSFP56 ou 200G QSFP-DD. Toda a cadeia do setor é semelhante a um “rúgbi”, com grandes pontas médias e pequenas. Existem mais de 200 empresas em todo o setor que afirmam ser capazes de produzir módulos ópticos, mas pode não haver mais de 10 fabricantes de chips no topo da cadeia da indústria, especialmente aqueles com técnicas de primeira linha, como DSP.

O número de partes de aplicativos a jusante ou usuários finais é muito menor do que o número de fabricantes de módulos ópticos, mostrando uma estrutura industrial caótica. Isso também implica em alguns outros problemas: demanda pouco clara e inespecífica e valor pouco claro do chip. O primeiro objetivo dos módulos ópticos é quebrar essa ecologia, ou seja, data centers e fabricantes de chips discutem diretamente os requisitos de especificação e custo (consumo), para alcançar uma real competitividade de custo de ponta a ponta.

O data center também lançou o modo JDM multi-party, ou seja, o data center apresenta diretamente a demanda de especificações, e algumas funções customizadas para o fabricante do chip e o fabricante otimiza ou re-desenvolve de acordo com as necessidades do data center. O esquema do módulo é projetado em conjunto pelo data center e pelos fabricantes do módulo, sendo este último responsável pela produção.

Figura 4: “quebrar a ecologia”

Entrando no estágio de autopesquisa, a questão mais importante a ser considerada pelos data centers é como obter o máximo valor no projeto e na seleção de soluções. “Luz” e “eletricidade” são fundamentalmente diferentes em termos de propriedades de transmissão. A luz tem algumas propriedades especiais, como características de potência óptica em diferentes temperaturas, características de largura de banda em diferentes correntes e características de comprimento de onda sob diferentes condições. No modo autodesenvolvido, o data center pode promover continuamente a otimização da solução em combinação com as especificações do sistema e permitir que o chip eletrônico seja mais adequado à luz, para exercer maiores vantagens técnicas.

Os módulos ópticos são frequentemente percebidos como produtos padrão porque a forma do invólucro e as especificações da interface de entrada e saída são definidas. No entanto, a embalagem óptica interna é especial, com vários fatores de forma. Cada fabricante possui um design diferente e equipamentos de fabricação personalizados.

Se o data center quiser projetar e fabricar rapidamente um módulo autodesenvolvido, o data center enfrentará o problema de seleção de plataforma. No modo de módulo óptico auto-desenvolvido, fazendo pleno uso do maduro 100G QSFP28 A plataforma de empacotamento de módulos ópticos e fazer algumas atualizações direcionadas ao mesmo tempo é a melhor solução para atender às demandas de estabilidade de qualidade, eficiência de desenvolvimento e baixo custo.

Explorando a próxima etapa

A rede do data center é iterada a cada 2 a 3 anos. A julgar pelos sinais de trânsito do chip de comutação, a abrangente rede 112G chegará em 2023. Recentemente, as pessoas têm discutido o desenvolvimento da rede baseada em 112 Gbps de próxima geração, incluindo placas de rede e equipamentos de comutação.

No nível do módulo óptico, o data center também fez algumas pesquisas técnicas nos últimos dois anos. De 100G a 400G e 800G, o consumo de energia do módulo continuará aumentando. Ao mesmo tempo, o BER (Bit Error Rate) também enfrentará uma degradação exponencial. Resolver esses problemas requer aumentar o trabalho de projeto e otimização no nível do chip e até mesmo participar do projeto do chip. A embalagem óptica também enfrentará uma série de desafios, e várias novas soluções para melhorar a integração óptica precisam ser exploradas. No esquema de transmissão, o data center também precisa continuar explorando para atender aos requisitos do cenário de rede do data center.

Figura 5: Evolução da Taxa

A distância de transmissão do sinal é um atributo básico do hardware de interconexão e também é uma restrição importante que deve ser discutida sempre que os data centers discutem soluções técnicas futuras e tendências de desenvolvimento. Com a melhoria contínua da velocidade básica, a distância física da sala de computadores ou IDC do data center não mudará muito.

Portanto, ao selecionar um módulo ou solução técnica para conectar dois dispositivos, a iteração precisa ocorrer com a iteração da tecnologia de transmissão. Existem três interfaces na evolução da “distância”. Do lado do acesso de curta distância, entra o “óptico” e sai o “cobre”. A partir da conexão interna da sala IDC, é monomodo em vez de multimodo. Do ponto de vista da conexão DCI, é o afundamento contínuo da tecnologia coerente.

Nos aspectos acima, o data center também fez alguns layouts avançados, incluindo o acesso à placa de rede de 112 Gbpsl, e o data center está sendo implantado com base na tecnologia TAC de 112 Gbpsl e no desenvolvimento de cooperação de chip correspondente. Em termos de conexão dentro da sala IDC, o módulo MM SR pode não ser capaz de atender a conexão dentro da sala do data center (Building Range), especialmente a conexão entre salas. Aqui, o data center também está explorando soluções de modo único em vez de multimodo, especialmente Algumas tentativas de desenvolvimento conjunto também foram feitas na solução de chip totalmente integrada de modo único. A escolha e substituição de IMDD e coerente, o data center deverá chegar no 1.6T ou comprimento de onda único 400G QSFP-DD geração, então o futuro data center fará algum trabalho no campo do Coherent-lite, especialmente o algoritmo oDSP.

Começando do lasca

Uma diferença fundamental entre um módulo óptico e os dispositivos/equipamentos elétricos tradicionais é que ele não apenas possui características “elétricas”, mas também características “óticas”, portanto, deve enfrentar tanto a Lei de Moore da microeletrônica quanto a Lei de Moore da optoeletrônica. Com a tendência de entrada de luz e recuo do cobre, o mundo está constantemente integrando os principais recursos optoeletrônicos. Fabricantes liderados por gigantes no campo de chips eletrônicos tradicionais também estão se expandindo no campo da optoeletrônica para se preparar para a tendência futura de integração optoeletrônica. Da mesma forma, os data centers também precisam fazer algo para enfrentar um desafio após o outro. O desenvolvimento de 112 Gbps pode ser um processo longo. O sistema 400G baseado em 112G Serdes é a melhor oportunidade para os data centers serem implantados agora e explorados no futuro.