Por que os data centers de IA precisam de módulos ópticos 800G?

No mundo acelerado de hoje, a procura por transmissão de dados em alta velocidade atingiu níveis sem precedentes. As aplicações de IA e os grandes modelos tornaram o poder da computação uma infraestrutura fundamental para a indústria de IA. À medida que aumenta a necessidade de comunicação mais rápida, os módulos ópticos de alta velocidade tornaram-se um componente essencial dos servidores de inteligência artificial. Este artigo explora a evolução dos módulos ópticos 800G e seu enorme potencial na era da IA.

A evolução dos módulos ópticos 800G

Os módulos ópticos realizam a tarefa de conversão de sinais ópticos e elétricos em conexões de rede, responsáveis ​​por converter sinais elétricos em sinais ópticos na extremidade transmissora e, em seguida, converter sinais ópticos em sinais elétricos na extremidade receptora após a transmissão através de fibras ópticas. Com o desenvolvimento e integração de dispositivos optoeletrônicos, seu desempenho e largura de banda de transmissão têm sido continuamente melhorados, e os módulos ópticos exigem taxas de transmissão mais altas e tamanhos menores para se adaptarem a diferentes cenários de uso. Os métodos de empacotamento também evoluíram, e embalagens e consumo de energia menores significam que os módulos ópticos têm uma densidade de portas mais alta nos switches, e a mesma potência pode acionar mais módulos ópticos.

Aumento da demanda por largura de banda

O crescimento da demanda por largura de banda teve um impacto significativo nos módulos ópticos de alta velocidade. Com o surgimento de novas tecnologias e a demanda por transmissão de dados em grande escala, os módulos ópticos tradicionais de 100G, 200G e 400G não conseguem mais atender totalmente à demanda do mercado. Para atender à crescente demanda por largura de banda, os módulos ópticos 800G estão se tornando uma tendência.

O crescimento da tecnologia LPO

Na era do módulo óptico 800G, a tecnologia Linear-drive Pluggable Optics (LPO) se destaca. O LPO utiliza componentes analógicos lineares no link de dados, sem a necessidade de projetos complexos de CDR ou DSP. Em comparação com as soluções DSP, o LPO reduz bastante o consumo de energia e a latência e é muito adequado para os requisitos de conexão de dados de curta distância, alta largura de banda, baixo consumo de energia e baixa latência dos data centers de IA. À medida que os fornecedores de serviços em nuvem expandem os seus recursos computacionais, espera-se que as soluções LPO, incluindo 800G LPO, ocupem uma importante quota de mercado.

Embalagem do módulo óptico 800G

Com o avanço contínuo da tecnologia, a forma de embalagem dos módulos ópticos passou por mudanças significativas. Desde as primeiras embalagens GBIC até as embalagens SFP menores, até o atual 800G QSFP-DD e embalagem OSFP. Esta tendência de desenvolvimento não reflete apenas a melhoria contínua dos módulos ópticos em termos de taxa, mas também mostra o seu progresso em direção à miniaturização e hot plugging. Os cenários de aplicação dos módulos ópticos 800G são cada vez mais diversos, abrangendo vários campos, como Ethernet, CWDM/DWDM, conectores, canais de fibra e acesso com/sem fio.

Comparação de tamanhos QSFP-DD e OSFP

Especificações 800G QSFP-DD

Módulo de alta velocidade conectável pequeno de quatro canais de dupla densidade. QSFP-DD é o pacote preferido para módulos ópticos de 800G, permitindo que os data centers cresçam com eficiência e expandam a capacidade da nuvem conforme necessário. Os módulos QSFP-DD utilizam uma interface elétrica de 8 canais, com taxa de até 25 Gb/s (modulação NRZ) ou 50 Gb/s (modulação PAM4) por canal, fornecendo uma solução agregada de até 200 Gb/s ou 400 Gb/s .

As vantagens do 800G QSFP-DD

Possui compatibilidade com versões anteriores e é compatível com pacotes QSFP+/QSFP28/QSFP56 QSFP.

Ele adota um conector de gaiola integrado empilhado 2 × 1, que pode suportar sistemas de conectores de gaiola de altura única e altura dupla.

Pode atingir uma capacidade térmica de pelo menos 12 watts por módulo através de conectores SMT e gaiolas 1xN. Maior capacidade térmica pode reduzir os requisitos da função de resfriamento dos módulos ópticos, reduzindo assim alguns custos desnecessários.

No projeto do QSFP-DD, o grupo de trabalho da MSA considerou totalmente a flexibilidade de uso do usuário, adotou o projeto ASIC, suportou múltiplas taxas de interface e foi compatível com versões anteriores (compatível com QSFP+/QSFP28), reduzindo assim os custos portuários e os custos de implantação de equipamentos.

Especificações de formato OSFP 800G

OSFP é um novo tipo de módulo óptico, muito menor que o CFP8, mas um pouco maior que o QSFP-DD, com 8 canais elétricos de alta velocidade e ainda suporta 32 portas OSFP em cada painel frontal 1U, com dissipadores de calor integrados para melhorar significativamente o calor desempenho de dissipação.

As vantagens do OSFP 800G

O módulo OSFP foi projetado para 8 canais, suportando diretamente uma taxa de transferência total de até 800G, alcançando assim maior densidade de largura de banda.

Como o pacote OSFP suporta mais canais e taxas de transmissão de dados mais altas, ele pode fornecer maior desempenho e maior distância de transmissão.

O módulo OSFP possui um excelente design de dissipação de calor e pode suportar maior consumo de energia.

OSFP foi projetado para suportar taxas mais altas no futuro. Devido ao tamanho maior do módulo OSFP, é possível suportar maior consumo de energia, suportando assim taxas mais altas, como 1.6T ou superior.

Comparação do tamanho do módulo óptico 800G

QSFP-DD é geralmente a escolha preferida em aplicações de telecomunicações, enquanto OSFP é mais adequado para ambientes de data center. As principais diferenças entre eles são:

Tamanho: OSFP é um pouco maior

Consumo de energia: O consumo de energia do OSFP é ligeiramente superior ao QSFP-DD.

Compatibilidade: QSFP-DD é perfeitamente compatível com QSFP28 e QSFP+, enquanto OSFP não é compatível.

Tipos de módulos ópticos 800G

800G = 8x100G = 4x200G, portanto, de acordo com a taxa de canal único, pode ser dividido em dois tipos, ou seja, 100G e 200G de canal único. As arquiteturas correspondentes são mostradas na figura abaixo. O módulo óptico 100G de canal único pode ser implementado rapidamente, enquanto o 200G possui requisitos mais elevados para dispositivos ópticos. Como a taxa máxima suportada pela interface elétrica atual é de 112 Gbps PAM4, é necessária uma caixa de câmbio para o 200G de canal único.

Para o caso multimodo, existem principalmente dois padrões para módulos ópticos 800G, correspondendo a uma distância de transmissão inferior a 100m.

800GSR8

Adota a solução VCSEL, com comprimento de onda de 850 nm, taxa monocanal de 100 Gbps PAM4 e requer 16 fibras. Isto pode ser considerado como uma versão atualizada do 400G SR4, com o número de canais duplicado. Sua interface óptica é MPO-16 ou 2 linhas de MPO-12, conforme mostrado na figura abaixo. Os módulos ópticos 800G SR8 são geralmente usados ​​para Ethernet 800G, links de data center ou interconexão 800G-800G.

800GSR4

Esta solução adota comprimento de onda de 850nm/910nm, transmissão bidirecional e usa DeMux no módulo para separar os dois comprimentos de onda. A taxa de canal único é PAM100 de 4 Gbps e são necessárias 8 fibras. Comparado com o SR8, o número de fibras nesta solução é reduzido pela metade. Seu diagrama de blocos é mostrado na figura abaixo:

CDR PAM800 4G

Sua interface de fibra é mostrada na figura abaixo, utilizando a interface MPO-12.

Existem vários padrões para módulos ópticos 800G para aplicações monomodo:

800G DR8, 800G 2xDR4 e 800G PSM8

Esses três padrões possuem arquiteturas internas semelhantes, todas com 8 transmissores e 8 receptores, e taxa monocanal de 100Gbps, necessitando de 16 fibras ópticas. 800G DR8 o módulo óptico adota 100G PAM4 e tecnologia paralela de modo único de 8 canais, e a distância de transmissão através de fibra óptica de modo único pode chegar a 500m.

Geralmente é usado para data center, interconexão 800G-800G, 800G-400G e 800G-100G. 800G PSM8 adota tecnologia CWDM, com 8 canais ópticos, cada um com taxa de transmissão de 100 Gbps, suportando uma distância de transmissão de 100 m. É muito adequado para transmissão de longa distância e compartilhamento de recursos de fibra.

800G 2DR4 refere-se a 2 interfaces “400G-DR4”. A interface óptica do 2DR4 é 2 MPO-12, conforme mostrado na figura abaixo. Ele pode ser interconectado com módulo óptico 400G DR4 sem cabo de fibra, suportando distância de transmissão de 500 m, o que é conveniente para atualizações de data centers. A interface óptica do PSM8 e DR8 é MPO-16.

800G 2xFR4 e 2xLR4

Esses dois padrões possuem estruturas internas semelhantes, ambos contendo 4 comprimentos de onda e uma taxa de canal único de 100 Gbps. Ao usar o Mux para reduzir o número de fibras ópticas, são necessárias 4 fibras ópticas, conforme mostrado na figura abaixo.

Essas duas soluções são atualizações de módulos ópticos 400G FR4 e LR4, usando comprimentos de onda CWDM1271 1291/1311/1331/4nm. 2xFR4 suporta uma distância de transmissão de 2 km e 2xLR4 suporta uma distância de transmissão de 10 km. Suas interfaces ópticas adotam interfaces CS duplas ou LC duplex duplas.

800GFR4

Esta solução utiliza quatro comprimentos de onda, com taxa monocanal de 200 Gbps, necessitando de duas fibras ópticas para suportar uma distância de transmissão de 2 km, conforme mostrado na figura abaixo.

Adota uma interface óptica LC duplex, conforme mostrado na figura abaixo.

800GFR8

Esta solução utiliza 8 comprimentos de onda, cada um com taxa de 100Gbps, necessitando de duas fibras ópticas para suportar uma distância de transmissão de 2km, conforme mostra a figura abaixo. Os oito canais de comprimento de onda são 1271/1291/1311/1331/1351/1371/1391/1411 nm, respectivamente.

O impacto da Al na implantação de módulos ópticos 800G

Por que 800G é mais importante que 400G para servidores de IA?

Em primeiro lugar, os servidores de IA exigem alta taxa de transmissão de dados e baixa latência e precisam de switches de rack que correspondam à largura de banda subjacente. Esses switches também podem precisar de redundância de latência, o que requer módulos ópticos de alta velocidade. Por exemplo, o servidor NVIDIA DGX H100 está equipado com módulos GPU 8xH100, cada um dos quais requer módulos ópticos 2x200G. Portanto, cada servidor precisa de pelo menos 16xMódulos 200G, e a porta do switch no topo do rack correspondente precisa de pelo menos 4x800G.

Em segundo lugar, os chips ópticos 800G apresentam maior eficiência de custos e benefícios económicos. Eles usam chips EML de 100G, enquanto 200G/400G usam chips ópticos de 50G. Os dados mostram que, na mesma taxa, o custo de um chip óptico de 100G é 30% menor do que o de dois chips ópticos de 50G. No entanto, Módulos ópticos 400G ainda têm um significado importante na indústria.

Embora possam não ser capazes de igualar a velocidade dos módulos ópticos de 800G, eles melhoram significativamente a largura de banda em comparação com tecnologias antigas e são a solução preferida para muitas empresas. Além disso, alguns aplicativos podem não precisar de todos os recursos da Ethernet 800G e da Ethernet 400G. Ethernet é mais prático para eles. Com a crescente demanda por transmissão de dados mais rápida e eficiente, chegou a era dos módulos ópticos 800G.

Com suas excelentes capacidades de largura de banda e o avanço da tecnologia LPO, os módulos ópticos 800G mudarão completamente a indústria de inteligência artificial e o data center.