Спрос на рынке и тенденции к оптическому трансиверу для центров обработки данных

За последние 25 лет развитие технологии волоконно-оптической связи в центрах обработки данных достигло значительных успехов – от максимальной пропускной способности коммерческих волоконно-оптических линий связи в 2,5–10 Гбит / с в 1990-х годах до нынешней скорости передачи данных в 800 Гбит/с. Этому прогрессу способствовало широкое внедрение более дорогих высокоскоростных (включая 400G и 800G) модулей крупными операторами облачных сервисов. Кроме того, инвестиции телекоммуникационных операторов в сети 5G являются еще одной движущей силой развития высокоскоростных и высокоплотных систем оптической связи.

 

1. Что стимулирует рынок оптоволоконных трансиверов для центров обработки данных?

● Увеличение инвестиций в центр обработки данных

За последнее десятилетие произошли большие изменения в расходах на инфраструктуру в отрасли связи. В последние годы корпоративная сеть сокращает свои инвестиции в традиционное оборудование, ИТ и программное обеспечение и предпочитает аутсорсинг поставщикам облачных услуг. Однако вместо этого быстро растут инвестиции в инфраструктуру центра обработки данных. Отраслевые научно-исследовательские институты ожидают, что строительство центров обработки данных сохранит темпы роста более чем на 20% в ближайшие несколько лет.

 

● Быстрый рост данныхa Центр трафик

Расходы ТОП-5 поставщиков облачных вычислений в первом квартале 2020 года достигли 26.4 млрд долларов США, что на 56% больше, чем в 2019 году. Рост инвестиций в инфраструктуру центра обработки данных влияет на глобальный рынок модулей оптических приемопередатчиков и оптических устройств, где данные центр движется в сторону большого и сверхбольшого масштаба. Между тем, быстрый рост сети передачи данных обусловил устойчивый спрос на рынке оптоволоконных приемопередатчиков, который, как ожидается, восстановит двузначные темпы роста в 2021 и 2025 годах, согласно отраслевым исследованиям и статистическим институтам. Что касается скорости передачи данных оптоволоконных трансиверов, переход от 100G к 200G на 400G продолжается.

 

2. Технические тенденции: от NRZ Serdes, PAM4 Serdes и 100G Serdes

Рост скорости передачи данных в оптических модулях требует одновременного развития оптоэлектронных чипов для удовлетворения потребностей сетей центров обработки данных. Технология 25G NRZ Serdes, впервые разработанная в 2013 году, способствовала массовым поставкам модулей 100G QSFP28 в 2015 году. Два года спустя была представлена ​​технология 50G PAM4 Serdes, что привело к первым коммерческим поставкам оптических модулей серии 400G в 2019 году. Кроме того, технология 100G Serdes также будет стимулировать разработку волоконно-оптических приемопередающих модулей 800GbE в 2020 году, на основе чего ожидается, что технология 200G Serdes обеспечит инновационные решения для волоконно-оптических сетей с пропускной способностью 1.6 Тл в 2023 году.

 

Эволюция центров обработки данных прошла через эпоху 25GNRZ Serdes, 50G PAM4 и 100 / 200G Serdes, которые соответствуют оптическим трансиверам серии 100G, оптическим модулям 400G и 800G соответственно. Подключение центра обработки данных делится на соединение внутри центра обработки данных и соединение DCI между центрами обработки данных. Таким образом, возможность подключения к сети между разными расстояниями требует различных решений для передачи оптоволоконных кабелей Ethernet.

 

Помимо повышения скорости передачи данных, технология модуляции сигнала, применяемая в приемопередатчике оптоволоконного канала, была модернизирована с NRZ через PAM4 до последней, когерентной с оптическим каналом, эволюционировав с 1 × 2 до 1 × 4 и 1 × 8.

 

 

3. Характеристики тенденций на рынке оптических трансиверов

Ключевыми требованиями к оптическим модулям в центрах обработки данных являются высокая скорость, низкая стоимость, низкое энергопотребление, компактность и низкое энергопотребление. Дизайн и архитектура сети центра обработки данных превращаются в плоскую структуру, которая решает проблемы задержки и расширения. Но это вызывает резкое увеличение трафика с востока на запад и требует более высокоскоростных сетевых решений.

 

Спрос на оптическое соединение центров обработки данных (DCI) значительно растет, и на основе когерентной технологии оптоволоконные модули 100 Гбит / с, 200 Гбит / с и 400 Гбит / с становятся стандартным техническим сетевым решением для передачи на большие расстояния. От первоначального решения для сверхдальних расстояний оптические приемопередатчики быстро продвигались на рынок передачи, включая городские сети / сети доступа и рынок высокоскоростных соединений между центрами обработки данных, что особенно беспокоило в последние годы. К настоящему времени была выпущена спецификация 400G ZR, и ZR + продвигает свои планы.

 

4. Serdes 50G для модуля оптики 100G / 400G

Оптические модули 100G / 400G на основе оптических чипов 50G Serdes и VCSEL в основном предназначены для передачи на короткие расстояния до 100 метров, в то время как модули на основе кремниевой фотоники и EML являются основными решениями для 100G с одной длиной волны от 500 метров до 2 километров. Решение DML необходимо оптимизировать из-за незрелости линейности и дисперсии оптического чипа.

 

Для разных оптических чипов технологические требования различны. Многорежимные лазеры VCSEL обычно используют технологию COB (Chip On Board), а для EML и кремниевого света это соединение COC (Chip On Ceramic). Допуск кремниевой оптической связи контролировать труднее, чем одномодовый. Таким образом, технология кремниевой фотоники по-прежнему остается сложной задачей для промышленных инженеров.

 

∆ Оптический модуль 100G/400G на базе 50G-серии

5. Оптический модуль серии 400G

В число оптических модулей на базе VCSEL-чипов входят продукты 400G SR8/SR4.2 для передачи данных на короткие расстояния (100 м); волоконно-оптические приемопередающие модули 100G, 100G DR1, 100G FR1 /LR1/ER1, 400G DR4/FR4, 400G LR4 основаны на EML-чипе, а модули 100G DR1/FR1, 400G DR4, 400G-ZR — на MZM (SiPh).

 

6. Сравнение различных микросхем оптических модулей 400G

Что касается полосы пропускания, текущие исследования полосы пропускания EML показали, что она может достигать 60 ГГц, в то время как Silicon Photonics MZM может достигать 50 ГГц. Оптические трансиверы 400G на базе микросхемы VCSEL поддерживают короткую дальность передачи 100 м, а модули с MZM (SiPh) превосходят по производительности в диапазоне 500 м и 2 км. Что касается оптоволоконного чипа EML, то он более дорогой, но поддерживает большую дальность передачи - 2 км, 10 км и 40 км. Что касается пропускной способности, то волоконно-оптические модули 400 Гбит / с на основе кремниевого фотодиода платформы COMS могут обеспечить гибридную интеграцию оптоэлектроники и массового производства.

 

7. Сравнение энергопотребления в оптоволоконном модуле 400 Гбит / с и 100 Гбит / с

Сравнивая энергопотребление и производительность однополупериодного кремниевого оптического модуля 100 Гбит / с и решения EML, энергопотребление одноволнового модуля EML 100 Гбит / с немного выше, т. Е. 4.5 Вт, и одноволнового кремниевого оптического решения 100 Гбит / с. контролируется в пределах 3.5 Вт. Кроме того, кремниевая фотоника также может удовлетворить требования к производительности одноволновых оптоволоконных приемопередатчиков 100G и 400G DR4 с точки зрения оптических глазковых диаграмм.

 

Что отличает кремниевую фотонику от других, так это ее способность интегрировать MZM + SSC + PD, но вносимые потери связи, основанные на кремниевой фотонике, велики, и она должна работать вместе с мощными CW и DFB. По сравнению с типами оптоволоконных трансиверов 400G с чипами SiPh, 400G DR4 EML потребляет более высокую мощность - 12 Вт, в то время как 400G DR4 SiPhL потребляет не более 10 Вт и требует только 2 CW и DFB. Кроме того, 400G DR4 SiPhL способен к многоканальной интеграции и 4CH MZM + SSC + 4CH P. Следовательно, он более выгоден по стоимости и потребляемой мощности.

 

8. Прогноз развития оптического модуля ЦОД 800G

Ожидается, что подключаемый оптический трансивер следующего поколения 800G будет развиваться в три этапа в соответствии с отраслью. Когерентный оптический трансивер 8x100G на основе 100G Serdes предлагает 8 независимых каналов передачи и приема с оптическим интерфейсом 100G/I. Форм-факторы включают 800G-DR8, 800G-SR8 и 800G-FR8/LR8, как ожидается, будут представлены в 2021 году. В 2023 году 800G-DR4/FR4 на основе 100G Serdes + Gearbox реализуется через транзитный и приемный путь DSP PAM4 8 in 4 out с оптическим интерфейсом 200G/I. К 2025 году ожидается запуск 1.6T на основе 200G Serdes с 8 независимыми каналами передачи и приема, а его оптический порт составляет 200G/I.

 

∆ 800G Подключаемый оптоволоконный трансивер последовательного действия и его технические характеристики

 

Согласно прогнозам для оптоэлектронных чипов 200G ожидается, что соответствующие оптоэлектронные чипы 200G / л будут постепенно готовы к 2022 году, что будет стимулировать внедрение сменных оптических модулей 1.6T (8 * 200G), тем самым способствуя развитию 102.4T переключатели. Поставки на базе оптических устройств 100 Гб / л рассчитаны примерно на 10 лет.

 

9. Решения FiberMall для оптических приемопередатчиков для центров обработки данных

В настоящее время FiberMall предлагает полный спектр продуктов 100G, которые до сих пор поставлялись крупными партиями, а оптоволоконные продукты 400G находятся на стадии небольших объемов. Оптические модули 800G DR8, 100G DR1/DR1+ для сетевых решений центров обработки данных и оптические модули 200G LR4/ER4 для транспортных сетей 5G получили широкое внимание клиентов. Одноволновая технология 100G от FiberMall вступает в зрелую фазу, закладывая прекрасную основу для решений оптических модулей 8*100G.

 

∆ Решения FiberMall для оптических модулей в центрах обработки данных

Развитие дата-центров в 2020 году стало одной из главных движущих сил бума индустрии оптической связи в течение всего года. В последние годы рынок передачи данных стал горячим пирожком для всех предприятий отрасли оптической связи. Как ведущее предприятие в области оптических модулей связи, FiberMall имеет глубокие разработки и высокую конкурентоспособность в области передачи данных.

 

Выводы

Быстрое увеличение трафика в центрах обработки данных ускорило спрос рынка на современные сетевые устройства, включая модули приемопередатчиков, которые необходимы рынку для поддержки более высокой плотности портов и более высоких скоростей пересылки. Эти устройства, в свою очередь, приведут к крупномасштабному развертыванию высокоскоростных оптических модулей для соединения различных уровней сетевых устройств.