Технология Ethernet 800G

Обзор

800G Ethernet — это стандарт Ethernet с высокой пропускной способностью, который может передавать данные со скоростью 800 Гбит/с (гигабит в секунду). Он представляет собой последнее достижение в технологии Ethernet и предназначен для удовлетворения растущего спроса на передачу данных и возможности обработки больших объемов данных.

Стандарты Консорциума Ethernet 25G и 50G предусматривают спецификацию реализации 800G на основе технологии 8lanex100Gb/s, что позволяет пользователям развертывать передовые технологии Ethernet с высокой пропускной способностью, совместимые друг с другом.

800G Ethernet в основном используется в крупных центрах обработки данных, средах облачных сервисов и приложениях, требующих высокой пропускной способности. В этих сценариях он может обеспечить более высокую скорость, большую пропускную способность и лучшую производительность сети, тем самым поддерживая более быструю и эффективную передачу данных.

Архитектура

Технология Ethernet 800 Гбит/с разработана как интерфейс, который использует восемь линий 106 Гбит/с с использованием 2xClause 119 PCS (400G) для подключения одного MAC, работающего со скоростью 800 Гбит/с (хотя PCS 400G модифицированы, это просто очень высокий уровень). концептуальный взгляд на уровне уровня). На следующем рисунке показана высокоуровневая архитектура.

В конкретном процессе реализации спецификация 800GBASE-R не просто объединяет два 400G, но вводит новый контроль доступа к среде передачи (MAC) и подуровень физического кодирования (PCS), который может обеспечить 800G с минимальными затратами. Поскольку новая PCS содержит повторное использование предыдущей PCS, она сохраняет стандартное прямое исправление ошибок RS (544, 514) и обеспечивает хорошие функции обратной совместимости.

ПК/ФЭК

За счет использования двух PCS 400 Гбит/с (включая FEC) и поддержки 32 линий PCS (скорость каждой линии составляет 25 Гбит/с) для поддержки пропускной способности 800 Гбит/с. На рисунке ниже показан поток и функциональность данных TX PCS. 2×16 линий PCS генерируются из двух стеков PCS, а затем выполняется мультиплексирование битов 4:1 от PMA к PMD для создания 8x106G полос PMD.

На рисунке ниже представлена ​​схематическая диаграмма, предоставленная рабочей группой 800G Pluggable MSA в «Белой книге 800G MSA», схема реализации 800G, которую можно быстро запустить. Путем перенастройки двух PMA 400G получается PMA 800G, определяется недорогой PMD 800G и реализуется Ethernet 800G на основе 8-канальной технологии 100 Гбит/с.

Применение 800G Ethernet

800G Ethernet преобразует отрасли, поддерживая приложения с интенсивным использованием данных, в том числе:

• ИИ и машинное обучение: объединяет кластеры графических процессоров для обучения крупномасштабных моделей, сокращая задержки и ускоряя обработку данных.
• Облачные вычисления: расширяют возможности гипермасштабируемых центров обработки данных за счет более высокой пропускной способности и поддержки таких платформ, как AWS и Azure.
• Хранилище сверхвысокой плотности: обеспечивает быструю передачу данных для аналитики больших данных и приложений Интернета вещей.
• 5G и периферийные вычисления: обеспечивают пропускную способность для высокоскоростных мобильных сетей и периферийной обработки данных, способствуя развитию умных городов и интеллектуального транспорта.
• Телекоммуникации: поддерживают более высокие клиентские нагрузки, гарантируя надежную связь.

Технические основы 800G Ethernet

800G Ethernet достигает своей замечательной скорости благодаря усовершенствованной архитектуре, использующей восемь линий 106.25 Гбит/с, удваивая емкость 400G Ethernet. Ключевые технические компоненты включают:

Управление доступом к среде (MAC) и физический подуровень кодирования (PCS)

Спецификация 800G Ethernet повторно использует два модифицированных 400G PCS (на основе IEEE 802.3bs) для управления восемью полосами 100G, что приводит к 32 полосам PCS с RS(544,514) Forward Error Correction (FEC). Это обеспечивает низкий уровень ошибок и совместимость с существующими стандартами, делая 800G Ethernet экономически эффективным и совместимым.

Многополосная дистрибуция (MLD)

Данные распределяются по 32 виртуальным полосам с использованием уникальных маркеров выравнивания (AM), вставленных через каждые 163,840 257 x 400b блоков. Это обеспечивает синхронизацию и предотвращает несоответствие при взаимодействии с портами XNUMXG, повышая надежность сети.

Интерфейсы «чип-модуль» (C2M) и «чип-чип» (C2C)

Эти интерфейсы, регулируемые стандартом IEEE 802.3ck, работают на скорости 106.25 Гбит/с на линию, поддерживая высокоскоростную передачу данных с минимальной потерей сигнала. Это имеет решающее значение для поддержания производительности в средах с высокой плотностью.

Оптические модули

800G Ethernet использует усовершенствованные трансиверы, такие как КСФП-DD800 и OSFP, разработанный для низкого энергопотребления и высокой целостности сигнала. Например, модули FiberMall 800G QSFP-DD поддерживают до 50 метров по многомодовому оптоволокну (MMF) с разъемами MTP/MPO-16, что идеально подходит для приложений ЦОД.

Стандарты и разработки 800G Ethernet

Стандартизация обеспечивает совместимость и принятие 800G Ethernet. Основные вехи включают:

2020: Консорциум технологий Ethernet (ETC) представил спецификацию 800GBASE-R, использующую логику 400G для экономически эффективного 800G MAC и PCS.

2022: Выпущены первые микросхемы коммутаторов 51.2T, поддерживающие 64 порта со скоростью 800 Гбит/с, что позволяет реализовать аппаратную реализацию.

2023: Стандарт IEEE 802.3df определил спецификации физического уровня для Ethernet 800G, а Форум по оптическому межсетевому взаимодействию (OIF) выпустил стандарты 224 Гбит/с для систем 800G и 1.6T.

Перспективы на будущее: в течение следующих двух лет стандарты будут развиваться и поддерживать 1.6-Т Ethernet и сигнализацию 200 Гбит/с на линию, что откроет путь для еще более быстрых сетей.

Задачи

Текущая реализация 800G Ethernet использует 8 каналов, скорость передачи каждого канала составляет 100 Гбит/с. Это удваивает PAM4 (четырехуровневая модуляция) скорость от предыдущего поколения 50 Гбит/с до 100 Гбит/с. Разрабатываемый трансивер 800G следующего поколения позволит увеличить скорость каждого канала до 200 Гбит/с, что создает значительные проблемы, поскольку требует как модуляции более высокого порядка, так и увеличения скорости передачи данных PAM4.

Высокоскоростной SerDes и энергопотребление

Для поддержки увеличения общей пропускной способности чипа коммутатора также увеличиваются скорость и мощность SerDes. В настоящее время скорость SerDes увеличилась с 10 Гбит/с до 112 Гбит/с. Однако энергопотребление SerDes стало важным для общего энергопотребления системы. Чип коммутатора следующего поколения снова удвоит пропускную способность, поскольку коммутатор 102.4T будет иметь 512 каналов SerDes 200 Гбит/с. Эти кремниевые коммутаторы будут поддерживать 800G и 1.6T на каналах 224 Гбит/с.

Решение:

Высокоскоростной SerDes: исследуйте и разрабатывайте более высокоскоростную технологию SerDes для удовлетворения растущего спроса на передачу данных. Сюда входит увеличение скорости, снижение энергопотребления и улучшение целостности сигнала SerDes. Оптимизация энергопотребления: используйте метод оптимизации энергопотребления, чтобы снизить энергопотребление SerDes. Это включает в себя использование передовых КМОП-технологий и разработку схем с низким энергопотреблением.

Импульсная амплитудная модуляция

Текущая фаза 800G Ethernet использует метод модуляции более высокого порядка, который использует PAM4 (4-уровневую импульсно-амплитудную модуляцию) для передачи данных так, что каждый символ несет несколько бит информации, тем самым увеличивая скорость передачи данных.

Модуляция более высокого порядка увеличивает количество бит на символ и обеспечивает компромисс между полосой пропускания канала и амплитудой сигнала. Модуляция PAM4 обратно совместима с предыдущими поколениями продуктов. Она обеспечивает лучшее отношение сигнал/шум (SNR) по сравнению со схемами более высокой модуляции, тем самым снижая накладные расходы на прямое исправление ошибок (FEC), вызывающее задержку.

Решения:

Улучшенный аналоговый интерфейс (AFE): исследуйте и разрабатывайте более производительные аналоговые интерфейсы для поддержки схем модуляции более высокого порядка. Это может включать более точное восстановление тактовой частоты, меньший джиттер и лучшие возможности обработки сигналов. Передовые методы эквализации: используйте инновационную цифровую обработку сигналов (DSP) и методы эквализации для устранения искажений и шума в канале. Это помогает повысить надежность сигналов PAM4. Изучите схемы модуляции более высокого порядка. Хотя PAM4 широко используется в нынешнем Ethernet 800G, будущие стандарты могут использовать схемы модуляции более высокого порядка, такие как PAM6 или PAM8. Это увеличит скорость передачи каждого символа и повысит сложность.

Преодоление проблем проектирования 800G Ethernet

Внедрение 800G Ethernet сопряжено с трудностями, требующими инновационных решений:

Целостность сигнала

Высокоскоростные сигналы сталкиваются с затуханием и перекрестными помехами. Передовые методы выравнивания, такие как выравнивание с обратной связью (DFE) и выравнивание с прямой связью (FFE), в сочетании с оптимизированной конструкцией печатной платы обеспечивают надежную работу.

потребляемая мощность

800G Ethernet требует больше энергии, чем предыдущие стандарты. Энергоэффективные компоненты, управление питанием и передовые решения по охлаждению, такие как в коммутаторах FiberMall 800G, смягчают эту проблему.

Совместимость инфраструктуры

Обратная совместимость с сетями 200G/400G имеет решающее значение. Повторное использование логики 400G PCS и стандартов, таких как QSFP-DD800, обеспечивает бесшовную интеграцию.

Стоимость

Высокие первоначальные затраты могут стать препятствием. Стандартизированные компоненты и экономия масштаба, предлагаемые FiberMall, снижают расходы, сохраняя производительность.

Как снизить частоту ошибок по битам (BER) в сети 800G Ethernet?

При высокоскоростной передаче данных на сигнал при прохождении через канал влияют различные факторы помех и затухания. К ним относятся затухание сигнала, шум, перекрестные помехи и другие факторы искажения сигнала. Эти факторы вызывают битовые ошибки в сигнале, т. е. BER. При передаче данных наличие BER может привести к серьезному повреждению данных, снижая доступность и целостность данных. В предыдущих стандартах высокоскоростной передачи данных, таких как 100G Ethernet, для снижения BER было достаточно обычных эквалайзеров с точной настройкой и методов обработки сигналов. Однако в высокоскоростном Ethernet 800G необходимы более сложные методы для решения проблем с более высокими значениями BER. Прямая коррекция ошибок (FEC) широко используется для снижения BER. Он включает добавление избыточной информации при передаче данных, чтобы помочь получателю обнаружить и исправить ошибки передачи. Алгоритмы FEC добавляют избыточные биты в кадры данных, позволяя получателю восстанавливать потерянные или поврежденные биты данных. Это помогает повысить надежность передачи данных, особенно в высокоскоростных сетях.

На более поздних стадиях разработки, таких как системы 200 Гбит/с, необходимы более сложные алгоритмы FEC, чтобы справиться с более высокими проблемами BER. Эти алгоритмы могут включать использование более избыточных данных и более сложных механизмов исправления ошибок для обеспечения надежности передачи данных.

Как повысить энергоэффективность 800G Ethernet?

Повышение энергоэффективности 800G Ethernet является важной задачей, особенно в крупных центрах обработки данных. Хотя конструкция оптического модуля стала более эффективной, что позволило снизить энергопотребление на бит, общее энергопотребление модулей по-прежнему остается серьезной проблемой, поскольку крупные центры обработки данных обычно имеют десятки тысяч оптических модулей. Одним из способов решения проблемы энергопотребления оптических модулей является использование оптических устройств в одном корпусе. Эта технология объединяет функцию оптоэлектронного преобразования в корпусе оптического модуля, снижая энергопотребление каждого модуля. Совместно упакованные оптические устройства могут обеспечить различные преимущества, включая более высокую энергоэффективность и меньшие размеры корпуса.

Каковы преимущества 800G Ethernet?

• Увеличение пропускной способности и скорости передачи данных. Благодаря быстрому развитию таких технологий, как большие данные, искусственный интеллект, облачные сервисы и т. д., трафик данных постоянно увеличивается. Самое главное, что 800G Ethernet может обрабатывать больше потоков данных и сетевых подключений одновременно. Кроме того, 800G Ethernet обеспечивает более быструю загрузку, скачивание и передачу данных, повышая эффективность обработки данных и удобство для пользователей. Благодаря увеличению пропускной способности и скорости передачи данных 800G Ethernet поддерживает высокоплотную и крупномасштабную передачу данных, обеспечивая при этом стабильную и эффективную работу сети.
• Область высокопроизводительных вычислений: в высокопроизводительных вычислительных приложениях, таких как научные вычисления и обучение искусственному интеллекту, требуются высокоскоростные возможности передачи и обработки данных. Сеть 800G повышает скорость передачи данных и повышает производительность сети, обеспечивая выполнение высокопроизводительных вычислительных задач. Это очень важно для приложений, выполняющих крупномасштабные сложные вычисления, таких как научные исследования, анализ больших данных и обучение искусственному интеллекту. Внедрение 800G Ethernet будет способствовать дальнейшему развитию инноваций и развития области высокопроизводительных вычислений.
• Поддержка крупномасштабных центров обработки данных. Центры обработки данных являются ключевыми местами для хранения и обработки больших объемов данных. Появление технологии 800G Ethernet может значительно улучшить производительность центров обработки данных, увеличить скорость передачи данных и возможности обработки, а также обеспечить более высокую пропускную способность и меньшую задержку для центров обработки данных. Подводя итог, можно сказать, что 800G Ethernet играет чрезвычайно важную роль в современной сетевой среде, представляя будущую тенденцию развития сетевых технологий.

Текущее состояние продуктов 400G/800G Ethernet

Примечание: данные в таблице выше в основном взяты со страниц с описанием продукции на официальных сайтах различных производителей (декабрь 2023 г.).

800G Ethernet производит революцию в высокоскоростных сетях, предлагая непревзойденную пропускную способность, масштабируемость и эффективность для центров обработки данных, ИИ и приложений 5G. Поскольку стандарты, такие как IEEE 802.3df, становятся более зрелыми, а оборудование становится более доступным, 800G Ethernet будет способствовать цифровой трансформации во всех отраслях. Свяжитесь с FiberMall сегодня, чтобы изучить наши передовые оптические модули и коммутаторы 800G и построить готовую к будущему сеть, адаптированную под ваши потребности.