No século 21, a tecnologia da informação desenvolveu-se muito e a Internet, o big data e a inteligência artificial enriqueceram enormemente a comunicação e a vida das pessoas. Hoje eu gostaria de discutir a transição de 400 Gb Optics para 800 Gb e óptica de 1.6 Tb nos próximos anos. Essas transições são motivadas principalmente pelas mudanças nas velocidades de E/S de serviço emergentes do silício do switch.
Atualmente, uma parte significativa do switch de silício opera em 25 Gb NRZ ou 50 Gb PAM4, utilizando quatro pistas elétricas, representadas em cinza e amarelo neste gráfico. A partir do próximo ano, indicado em azul, o serviço de 100 Gb começará a ser comercializado e deverá ver um aumento substancial no volume em 2023.
Na verdade, as projeções indicam que a largura de banda total enviada em pistas de 100 Gb em 2023 ultrapassará a largura de banda total de todas as remessas em 2022. Olhando mais adiante, para 2024 e 2025, conforme mostrado no gráfico, a parte verde representa as remessas antecipadas esperadas de E/S de serviço de 200 Gb.
A velocidade de serviço de 100 Gb aciona diretamente a óptica de 800 Gb nos formatos ópticos Ethernet. É importante observar que a ênfase inicial aqui está em aplicativos de breakout duplos de 400 Gb e Octo 100 Gb. Além disso, há uma especificação Ethernet que foi concluída pela Ethernet Technology Alliance em abril de 2020, que será integrada ao silício do switch a partir de 2023. Curiosamente, este pode ser o primeiro caso em que a óptica de 800 Gb está prontamente disponível em um volume de produção significativo. antes que Gb Ethernet esteja disponível no mercado.
Este slide fornece uma perspectiva sobre a transição esperada de 100 Gb para óptica Ethernet em termos de largura de banda. Como você pode ver, 400 Gb, mostrado em azul, ainda está crescendo de forma constante nos próximos dois anos e espera-se que atinja o pico em 2023, coincidindo com a introdução da óptica de 800 Gb, representada em verde. Prevê-se que a óptica Ethernet se tornará a escolha predominante a partir de 2024. A previsibilidade desta transição é impulsionada principalmente pelo menor custo, menor consumo de energia e maior densidade, que são considerações cruciais tanto para os fornecedores de sistemas como para os clientes no mercado.
Aqui está uma lista de módulos ópticos Ethernet previstos disponíveis em 2023:
Espera-se que todas essas ópticas cheguem ao mercado em 2023, algumas já em laboratório hoje. Inicialmente, prevê-se que as aplicações breakout sejam o principal uso desses módulos Ethernet. Isso se alinha com a necessidade da indústria de taxas maiores em seus chips de switch, bem como de maior compatibilidade e flexibilidade. Portanto, é essencial que os módulos ópticos suportem conectores padrão da indústria que atendam a essas aplicações de breakout, incluindo Dual LC, Dual Mini LC, Dual MPO e Octal breakout em oito conectores SN/MDC.
A imagem mostra um módulo OSFP com conectores Dual LC e Dual Mini LC. Vários fornecedores já estão trabalhando em módulos com capacidade de breakout, que deverão estar disponíveis no mercado até o final deste ano.
Agora, passando para 200G Lambda Optics, há um interesse crescente em aumentar a velocidade por Lambda. Este avanço promete reduções significativas no consumo de energia, possivelmente até 20-30%, e economia de custos. Além disso, é uma excelente escolha para futuras pistas elétricas Trinity, que deverão aparecer no Switch Silicon 102.4T.
Para colocar a potencial redução de custos em perspectiva, comparar um módulo de taxa Ethernet no laboratório hoje com o módulo Lambda 1.6x8G de 200 TB de próxima geração, que utiliza Lambda 800x8G de 100 Gb, revela que eles compartilham a mesma contagem de componentes. Isso inclui o mesmo número de lasers, moduladores, terminações privadas, conectores e muito mais. Essencialmente, a lista de materiais suporta uma redução significativa de custos por bit entre a geração de 100 Gig e a geração de 200 Gig.
O status do 200G Lambda Optics está atualmente em estágios iniciais de desenvolvimento. Embora a viabilidade técnica tenha sido demonstrada, ainda falta uma especificação Lambda 200G completa. Esta especificação incluiria a correção direta de erros e especificações ópticas precisas para esses links, permitindo à indústria fabricar e entregar esses componentes.
Prevê-se que a adoção destes módulos comece no final de 2023, ganhe impulso em 2024 e alcance volumes mais elevados em 2025 e posteriormente. É provável que a óptica Lambda 100G permaneça predominante, possivelmente até 2025-2026 e além.
Deixe-me agora voltar para o Módulos óticos plugáveis 1.6T, que envolve o uso de módulos de 8 canais e sua execução em pistas elétricas de 8x100G, particularmente adequadas para OSFP. Após pesquisa e experimentação, descobriu-se que esta abordagem não é apenas viável, mas pode ser alcançada com pequenos ajustes nas dimensões mecânicas, mantendo ao mesmo tempo total compatibilidade retroativa com o Ethernet OSFP existente.
É importante observar que essas ópticas Lambda de 200G estão inerentemente ligadas ao silício de switch de serviço 200G, que deverá estar em produção até 2025. Em contraste, as ópticas Lambda de 200G estão disponíveis muito antes, potencialmente já no segundo semestre de 2023. Há considerável interesse em trazer a óptica Lambda 200G para o mercado o mais rápido possível, dado o seu potencial de economia de custos e energia.
Para facilitar isto no contexto de um módulo de baixo custo, o OCFP XD foi recentemente introduzido. Este módulo, denominado “extradenso”, possui pistas de 16 Gig, adicionando efetivamente uma segunda linha de pinos conectores para dobrar a contagem de links. Esta inovação permite a entrega de um módulo de 1.6 terabyte em conjunto com switch de silício de 51.2T em 2023. Notavelmente, a densidade permanece a mesma no painel frontal e na lateral do módulo.
Como resultado, a densidade de 51.2T pode caber em uma placa de linha 1U ou em um chassi fixo 1U, desde que os requisitos de energia estejam alinhados. Esta abordagem prevê que uma densidade de 1.2.4T com Lambda 200G e interface elétrica 200G também poderia caber em um conector uniforme no futuro. Este módulo oferece 16 pistas elétricas de 100 Gb e pode ser dimensionado para 1.6 Tb com serviço de 200 Gb, com especificação de potência de até 33 W, necessária para suportar aplicações coerentes.
O que é particularmente importante é que o tamanho do compartimento do conector para o OCFP-XD corresponda ao de um OSFP ou SFP Ethernet empilhado, permitindo que os fornecedores de sistemas projetem uma única placa-mãe que pode ser configurada com um osfp Ethernet empilhado ou Conector SFP ou com o OCFP-XD de 1.6 terabyte. Espera-se que esta inovação acelere significativamente a adoção.
Os módulos previstos no formato 1.6Tb incluem módulos 1.6-ZR, a versão LR com alcance estendido, CWDM8, que abrange oito canais de 200G PAM4 em fibra duplex, o Dual FR4 contará com LCs duplos e o 1.6T-DR8 um conector SN/MDC octal. Algum interesse também foi expresso no desenvolvimento de interfaces Lambda de 16 canais em 100G.
O OCFP XD oferece diversas vantagens, incluindo ser a solução óptica conectável mais densa do mercado atualmente. Ele corresponde efetivamente à densidade do futuro switch de silício em uma base de painel frontal de 1U e suporta uma ampla gama de tecnologias ópticas, de H100G a 200G Lambda e coerente. Além disso, mantém todos os benefícios dos módulos ópticos conectáveis em termos de configurabilidade, facilidade de manutenção e flexibilidade tecnológica.
Agora, vamos discutir a potência e como ela pode ser reduzida na óptica. A largura de banda da nuvem está crescendo rapidamente, com estimativa de aumento de 50-60% ao ano. Simultaneamente, as reduções de energia na comutação óptica e de rede estão a ocorrer a uma taxa de 25-30% ao ano. No entanto, o consumo global de energia da rede ainda está a aumentar devido ao maior crescimento na largura de banda em comparação com a redução na energia.
Para resolver esse problema, aproveitar a tecnologia de processo mais avançada é a maneira mais previsível de obter redução de energia. As reduções de potência esperadas de 7 nm para 5 nm e 3 nm são bastante significativas, quase um fator de dois em duas gerações. Esta redução se aplica tanto ao chip do switch quanto ao DSP e à óptica. A redução de energia abrange o switch 25.6, o switch 51.2T e o futuro switch 1.2.4T, com a potência total do sistema, incluindo o chip do switch, a potência do ventilador e a óptica, diminuindo quase um fator de dois nessas duas gerações.
Com foco na óptica, o 400G DR4 original, que não possuía TIA e drivers integrados, tinha um consumo de energia por bit relativamente alto. A taxa Ethernet DR4, beneficiando-se de tecnologia de processo mais avançada para DSP e drivers integrados, promete uma redução significativa de energia. Ao olhar para a geração de 1.6 TB, que deverá empregar a tecnologia de 3 nm, prevê-se uma redução adicional de energia.
Embora a potência por bit esteja diminuindo, a potência por módulo está aumentando devido à mudança de 400G para 800G e para 1.6T. Como resultado, as estimativas atuais para módulos de data center de 1.6 terabyte variam entre 20W e 25W, enquanto módulos DCO coerentes podem ir até 30W por módulo.
Alcançar uma redução adicional de potência requer o uso de DSPs de 3 nm e além de 2 nm, que fornecem redução significativa de potência, especialmente no lado digital, incluindo DSPs coerentes. Também é essencial conceber serviços de menor consumo de energia, e não se deve subestimar a capacidade dos engenheiros para impulsionar a redução de consumo de energia. Várias tecnologias ópticas, incluindo tecnologias de modulação de baixa potência, podem ajudar a reduzir a necessidade de potência do laser.
Em resumo, a indústria está trabalhando ativamente em inovações para reduzir o consumo de energia em óptica. Muitos avanços foram feitos, especialmente na redução da potência por bit, e mais são esperados no futuro, com potencial para atingir 5-6 pJ/Bit até 2026. Os esforços contínuos de redução de potência são independentes do formato, o que significa que se aplicam para ópticas conectáveis e co-embaladas.
No entanto, os módulos ópticos conectáveis permitem a entrega mais imediata de novos componentes na base instalada, o que é vantajoso por permitir a inovação no lado do design óptico e facilitar a entrega dessas inovações ao mercado.
Agora, vamos mergulhar no mundo da óptica co-embalada. A descrição do estado atual da óptica co-embalada pode ser melhor caracterizada como um trabalho em andamento. Um progresso considerável foi feito graças a inúmeras contribuições de participantes da indústria, incluindo Facebook e Microsoft, para o OIF (Optical Internetworking Forum), desenvolvimento de protótipos e demonstrações de protótipos. Os desafios também são bem compreendidos, abrangendo potência do laser, perdas ópticas, problemas de conectores, capacidade de fabricação, capacidade de reparo e manutenção, entre outros.
O impulso inicial para a óptica co-embalada foi o potencial para reduzir o consumo de energia em um chip de switch e no nível do sistema em até 20%, principalmente diminuindo a energia da via elétrica - mudando de um serviço LR de alta potência para um serviço XSR de menor potência. para conectividade de curto alcance entre o chip de silício e o modulador. Lamentavelmente, a tecnologia XSR ainda não foi implementada na prática, o que torna essas economias de energia ilusórias.
Em vez disso, os fornecedores de silício desenvolveram modos Very Short Reach (VSR), que, embora não sejam tão de baixo consumo de energia quanto o XSR, proporcionaram reduções substanciais de energia de até 180 Watts no nível da tomada de parede para switches 51.2T, superando o LR SERDES.
Esta ilustração exibe os níveis de potência: LR Serdes tradicional em azul, VSR em verde e XSR direcionado em amarelo. Embora o XSR continue sendo uma opção de baixo consumo de energia, o VSR preencheu a lacuna e a mesma interface pode ser usada tanto para CPU quanto para módulos ópticos conectáveis, graças aos cabos fly-over.
No entanto, soluções empacotadas que usam fontes de luz externas (ELS) para tornar o módulo de laser substituível introduzem perdas adicionais de acoplamento óptico, levando a requisitos de potência de laser mais elevados em comparação com módulos ópticos conectáveis convencionais. Isso resulta de vários conectores dentro da solução empacotada em comparação com o conector único em uma solução de CPU com ELS.
Provavelmente são necessários conectores de feixe expandidos para evitar a contaminação por poeira, e perdas adicionais de divisor e polarização contribuem para uma perda adicional total de aproximadamente 1.8 a 3 dB. Consequentemente, a potência do laser deve aumentar de 50% a 100%, aumentando significativamente o consumo de energia. Esforços adicionais para redução de energia são imperativos.
As soluções potenciais incluem acionamento direto, que elimina a necessidade de DSP e utiliza o serviço do chip switch para acionar a óptica diretamente, proporcionando notável economia de energia. Do lado do ELS, mitigar as perdas de acoplamento aproximando o laser dos moduladores ou explorando diferentes tecnologias de modulação para fotônica de silício pode contribuir para a redução de potência.
Além das considerações de energia, os conjuntos ópticos apresentam desafios relacionados à CPU, como confiabilidade, capacidade de manutenção, capacidade de fabricação e testabilidade, bem como complexidades do modelo de negócios. Vale a pena notar que nem os switches 51.2T nem 102.4T requerem óptica co-embalada, já que as atualizações conectáveis atenderam com sucesso a essas demandas sem riscos ou problemas de design, facilidade de manutenção e fabricação. Além disso, as soluções CPO atuais não geram economia de energia em comparação com as ópticas conectáveis.
Concluindo, os módulos ópticos 800G estão atualmente em desenvolvimento e têm como alvo aplicações duplas de 400G e 100G octais. Os módulos ópticos 1.6T, baseados na interface elétrica 16x 100G, são os próximos da linha, com produção possivelmente começando em 2023, visando a geração de switches 51.2T. Posteriormente, seguirão os módulos ópticos 1.6T usando a interface elétrica 8X 200G, visando o switch 102.4T com Serdes 200G, com um cronograma de produção estimado em 2025.
A indústria como um todo deve manter o foco em tecnologias que promovam maiores reduções de energia, abrangendo os processos DSP mais agressivos, Lambda 200G e moduladores de menor potência. Enquanto a potência/bit diminui, a potência dos módulos aumenta devido à transição de 400G para 800G e 1.6T.
Assim, o desenvolvimento de uma solução térmica robusta para ópticas de 20 a 30 watts é essencial. Concluindo, desacoplar as transições ópticas do silício do switch oferece uma vantagem significativa, permitindo a inovação no design óptico e a rápida integração nas instalações existentes.
