В 21 веке информационные технологии сильно развились, а Интернет, большие данные и искусственный интеллект значительно обогатили общение и жизнь людей. Сегодня хотелось бы обсудить переход с 400 Гб Оптики на 800 Gb и оптика 1.6 Тб в ближайшие годы. Эти переходы в первую очередь мотивированы изменениями в скорости сервисного ввода-вывода, возникающими благодаря кремниевым коммутаторам.
В настоящее время значительная часть кремниевых коммутаторов работает либо на 25 Гбит NRZ, либо на 50 Гбит PAM4, используя четыре электрические линии, которые на этой диаграмме показаны серым и желтым цветом. Начиная со следующего года (отмечено синим цветом) начнутся поставки услуги 100 Гб, и ожидается, что в 2023 году объемы значительно возрастут.
Фактически, прогнозы показывают, что общая пропускная способность, поставляемая по линиям 100 Гбит в 2023 году, превысит всю пропускную способность всех поставок в 2022 году. Заглядывая в будущее до 2024 и 2025 годов, как показано на графике, зеленая часть представляет ожидаемые ранние поставки 200 ГБ сервисного ввода-вывода.
Скорость обслуживания 100 Гбит напрямую управляет оптикой 800 Гбит в оптических форматах Ethernet. Важно отметить, что первоначальный упор здесь делается на двойные приложения 400 ГБ и Octo 100 ГБ. Кроме того, существует спецификация Ethernet, разработанная Ethernet Technology Alliance в апреле 2020 года, которая будет интегрирована в микросхемы коммутаторов, начиная с 2023 года. Интересно, что это может быть первый случай, когда оптика 800 Гбит легко доступна в значительных объемах производства. до того, как Gb Ethernet станет доступен на рынке.
На этом слайде представлен взгляд на ожидаемый переход от 100-гигабитной оптики к Ethernet с точки зрения пропускной способности. Как видите, объем 400 Гб, показанный синим цветом, по-прежнему неуклонно растет в течение следующих двух лет и, как ожидается, достигнет пика в 2023 году, что совпадет с появлением оптики 800 Гб, изображенной зеленым цветом. Ожидается, что оптика Ethernet станет преобладающим выбором, начиная с 2024 года. Предсказуемость этого перехода в первую очередь обусловлена более низкой стоимостью, меньшим энергопотреблением и более высокой плотностью, которые являются важными факторами как для поставщиков систем, так и для клиентов на рынке.
Вот список ожидаемых оптических модулей Ethernet, доступных в 2023 году:
Ожидается, что вся эта оптика появится на рынке в 2023 году, а некоторые уже сегодня находятся в лаборатории. Ожидается, что на начальном этапе эти модули Ethernet будут использоваться главным образом в коммутационных приложениях. Это соответствует потребностям отрасли в повышении производительности микросхем коммутаторов, а также в улучшении совместимости и гибкости. Поэтому очень важно, чтобы оптические модули поддерживали стандартные отраслевые разъемы, которые подходят для таких приложений, включая Dual LC, Dual Mini LC, Dual MPO и восьмеричные разъемы SN/MDC.
На изображении показан модуль OSFP с разъемами Dual LC и Dual Mini LC. Несколько поставщиков уже работают над модулями с возможностями прорыва, и они должны появиться на рынке к концу этого года.
Теперь, переходя к 200G Lambda Optics, растет интерес к увеличению скорости на Lambda. Это достижение обещает значительное снижение энергопотребления, возможно, до 20-30%, и экономию средств. Более того, это отличный выбор для будущих электрических линий Trinity, которые, как ожидается, появятся на коммутаторе 102.4T Switch Silicon.
Чтобы представить потенциальное снижение затрат в перспективе, сравнение модуля скорости Ethernet, находящегося сегодня в лаборатории, с модулем Lambda емкостью 1.6 Тбайт 8x200G следующего поколения, в котором используется 800 Гбит 8x100G Lambda, показывает, что они используют одинаковое количество компонентов. Сюда входит такое же количество лазеров, модуляторов, частных оконечных устройств, разъемов и т. д. По сути, спецификация материалов обеспечивает значительное снижение затрат на бит между поколением 100-Gig и поколением 200 Gig.
Статус 200G Lambda Optics в настоящее время находится на ранней стадии разработки. Хотя техническая осуществимость была продемонстрирована, полная спецификация 200G Lambda все еще отсутствует. Эта спецификация будет включать в себя прямое исправление ошибок и точные оптические характеристики этих каналов, что позволит отрасли производить и поставлять эти компоненты.
Ожидается, что внедрение этих модулей начнется в конце 2023 года, наберет обороты в 2024 году и достигнет более высоких объемов в 2025 году и в последующий период. Вполне вероятно, что оптика 100G Lambda останется распространенной, возможно, до 2025-2026 годов и далее.
Позвольте мне теперь обратиться к Сменные оптические модули 1.6 Тл, который предполагает использование 8-канальных модулей и их работу на электрических линиях 8x100G, что особенно подходит для OSFP. После исследований и экспериментов было обнаружено, что этот подход не только осуществим, но и может быть реализован с небольшими изменениями механических размеров, сохраняя при этом полную обратную совместимость с существующим Ethernet OSFP.
Важно отметить, что эта оптика 200G Lambda по своей сути связана с микросхемой сервисного коммутатора 200G, производство которой ожидается к 2025 году. Напротив, оптика 200G Lambda станет доступна гораздо раньше, возможно, уже во второй половине 2023 года. значительный интерес к скорейшему выводу на рынок оптики 200G Lambda, учитывая ее потенциал экономии средств и энергии.
Чтобы облегчить эту задачу в рамках недорогого модуля, недавно был представлен OCFP XD. Этот модуль, обозначенный как «сверхплотный», имеет 16 линий Gig, что фактически добавляет второй ряд контактов разъема, чтобы удвоить количество каналов. Это нововведение позволяет в 1.6 году поставить модуль емкостью 51.2 терабайт в сочетании с коммутатором 2023T. Примечательно, что плотность на передней панели и на боковой стороне модуля остается одинаковой.
В результате плотность 51.2 Т может поместиться в линейную карту 1U или фиксированное шасси 1U при условии, что требования к питанию совпадают. Этот подход предполагает, что плотность 1.2.4T с 200G Lambda и электрическим интерфейсом 200G также может в будущем вписаться в один унифицированный разъем. Этот модуль предлагает 16 электрических линий по 100 Гбит и может масштабироваться до 1.6 Тбайт с обслуживанием 200 Гбит, при этом мощность достигает 33 Вт, что необходимо для поддержки согласованных приложений.
Что особенно важно, так это то, что площадь разъема разъема для OCFP-XD соответствует размеру стекового Ethernet OSFP или SFP, что позволяет поставщикам систем спроектировать единую материнскую плату, которая может быть сконфигурирована либо со стековым Ethernet OSFP, либо со стековым Ethernet OSFP или SFP. Разъем SFP или с 1.6-терабайтным OCFP-XD. Ожидается, что это нововведение значительно ускорит внедрение.
Ожидаемые модули в форм-факторе 1.6 Тб включают модули 1.6-ZR, версию LR с расширенным радиусом действия, CWDM8, которая охватывает восемь каналов 200G. PAM4 по дуплексному оптоволокну Dual FR4 будет иметь два разъема LC, а 1.6T-DR8 — восьмеричный разъем SN/MDC. Также был выражен некоторый интерес к разработке 16-канальных интерфейсов 100G Lambda.
OCFP XD предлагает несколько преимуществ, в том числе является самым плотным сменным оптическим решением на рынке сегодня. Он эффективно соответствует плотности будущих коммутаторов на передней панели высотой 1U и поддерживает широкий спектр оптических технологий, от H100G до 200G Lambda и когерентных. Кроме того, он сохраняет все преимущества сменных оптических модулей с точки зрения конфигурируемости, удобства обслуживания и технологической гибкости.
Теперь поговорим о мощности и о том, как ее можно уменьшить в оптике. Пропускная способность облака быстро растет, по оценкам, она будет увеличиваться на 50-60% в год. При этом снижение мощности оптической и сетевой коммутации происходит со скоростью 25-30% в год. Однако общее энергопотребление сети по-прежнему увеличивается из-за большего роста пропускной способности по сравнению с уменьшением мощности.
Для решения этой проблемы использование самых передовых технологических процессов является наиболее предсказуемым способом снижения энергопотребления. Ожидаемое снижение мощности с 7 нм до 5 и 3 нм весьма существенно, почти в два раза за два поколения. Это сокращение касается как микросхемы коммутатора, так и DSP и оптики. Снижение мощности охватывает коммутатор 25.6, коммутатор 51.2T и будущий коммутатор 1.2.4T, при этом общая мощность системы, включая чип переключателя, мощность вентилятора и оптику, уменьшится почти в два раза за эти два поколения.
Что касается оптики, оригинальный 400G DR4, в котором не было встроенного TIA и драйверов, имел относительно высокое энергопотребление на бит. Скорость Ethernet DR4, основанная на более совершенной технологии DSP и встроенных драйверах, обещает значительное снижение энергопотребления. Что касается поколения 1.6 Тбайт, в котором, как ожидается, будет использоваться технология 3 нм, ожидается дальнейшее снижение энергопотребления.
Хотя мощность на бит снижается, мощность на модуль увеличивается из-за перехода от 400G к 800G и к 1.6T. В результате текущие оценки модулей центров обработки данных емкостью 1.6 терабайта варьируются от 20 до 25 Вт, в то время как когерентные модули DCO могут достигать 30 Вт на модуль.
Достижение дальнейшего снижения мощности требует использования 3-нм и более 2-нм DSP, которые обеспечивают значительное снижение мощности, особенно на цифровой стороне, включая когерентные DSP. Также важно разрабатывать услуги с низким энергопотреблением, и не следует недооценивать способность инженеров добиваться снижения энергопотребления. Различные оптические технологии, в том числе технологии модуляции меньшей мощности, могут помочь снизить потребность в мощности лазера.
Таким образом, отрасль активно работает над инновациями по снижению энергопотребления в оптике. Было достигнуто множество достижений, особенно в снижении мощности на бит, и в будущем ожидается еще больше, с потенциалом достижения 5-6 пДж/бит к 2026 году. Текущие усилия по снижению мощности не зависят от форм-фактора, то есть они применимы. как для подключаемой, так и для комплектной оптики.
Тем не менее, сменные оптические модули позволяют более оперативно доставлять новые компоненты в базу установки, что дает преимущество в плане внедрения инноваций в области дизайна оптики и облегчения доставки этих инноваций на рынок.
Теперь давайте углубимся в мир сборной оптики. Описание текущего состояния комплексной оптики лучше всего можно охарактеризовать как незавершенную работу. Значительный прогресс был достигнут благодаря многочисленным вкладам игроков отрасли, включая Facebook и Microsoft, в OIF (Форум оптических межсетевых технологий), разработке прототипов и демонстрациям прототипов. Проблемы также хорошо понятны, включая мощность лазера, оптические потери, проблемы с разъемами, технологичность, ремонтопригодность и удобство обслуживания, среди прочего.
Первоначальным стимулом для совместной оптики была возможность снизить энергопотребление на микросхеме коммутатора и на уровне системы до 20%, в первую очередь за счет уменьшения мощности электрических линий - перехода от службы LR с высокой мощностью к службе XSR с более низким энергопотреблением. для короткой связи между кремниевым чипом и модулятором. К сожалению, технология XSR еще не нашла практического применения, что делает экономию энергии недостижимой.
Вместо этого производители микросхем разработали режимы Very Short Reach (VSR), которые, хотя и не такие маломощные, как XSR, обеспечивают существенное снижение мощности до 180 Вт на уровне сетевой розетки для коммутаторов 51.2 Т, превосходя LR SERDES.
На этом рисунке показаны уровни мощности: традиционные LR Serdes — синим, VSR — зеленым и целевой XSR — желтым. Хотя XSR остается вариантом с более низким энергопотреблением, VSR заполнил этот пробел, и один и тот же интерфейс можно использовать как для ЦП, так и для подключаемых оптических модулей благодаря сквозным кабелям.
Однако комплексные решения, использующие внешние источники света (ELS) для обеспечения возможности замены лазерного модуля, приводят к дополнительным потерям на оптической связи, что приводит к более высоким требованиям к мощности лазера по сравнению с обычными сменными оптическими модулями. Это происходит из-за наличия нескольких разъемов в комплексном решении по сравнению с одним разъемом в решении ЦП с ELS.
Соединители с расширенным лучом, вероятно, потребуются для предотвращения загрязнения пылью, а дополнительные потери на делитель и поляризацию приводят к общим дополнительным потерям примерно от 1.8 до 3 дБ. Следовательно, мощность лазера должна увеличиться на 50–100%, тем самым значительно увеличивая энергопотребление. Необходимы дополнительные усилия по снижению энергопотребления.
Потенциальные решения включают прямое управление, которое устраняет необходимость в DSP и использует услуги микросхемы переключателя для прямого управления оптикой, обеспечивая значительную экономию энергии. Что касается ELS, уменьшение потерь связи путем перемещения лазера ближе к модуляторам или изучения различных технологий модуляции для кремниевой фотоники может способствовать снижению мощности.
Помимо вопросов энергопотребления, совместно упакованная оптика создает проблемы, связанные с процессором, такие как надежность, удобство обслуживания, технологичность и тестируемость, а также сложность бизнес-модели. Стоит отметить, что ни коммутаторы 51.2T, ни 102.4T не требуют совместной оптики, поскольку подключаемые обновления успешно удовлетворяют эти требования без рисков или проблем с дизайном, удобством обслуживания и производства. Более того, текущие решения CPO не обеспечивают экономии энергии по сравнению со сменной оптикой.
В заключение отметим, что оптические модули 800G в настоящее время находятся в стадии разработки и предназначены для двойных 400G и восьмеричных 100G приложений. Следующими на очереди являются оптические модули 1.6T, основанные на электрическом интерфейсе 16x 100G, производство которых, возможно, начнется в 2023 году с целью создания поколения коммутаторов 51.2T. Впоследствии последуют оптические модули 1.6T, использующие электрический интерфейс 8X 200G, нацеленные на коммутатор 102.4T с 200G Serdes, ориентировочный срок производства — 2025 год.
Отрасль в целом должна продолжать уделять внимание технологиям, которые способствуют дальнейшему снижению энергопотребления, включая наиболее агрессивные процессы DSP, 200G Lambda и модуляторы с меньшим энергопотреблением. Пока мощность/бит снижается, мощность модулей увеличивается за счет перехода от 400G к 800G и 1.6T.
Таким образом, разработка надежного теплового решения для оптики мощностью от 20 до 30 Вт имеет важное значение. В заключение отметим, что отделение оптических переходов от кремниевых переключателей дает значительное преимущество, позволяя внедрять инновации в конструкцию оптики и быстро интегрировать ее в существующие установки.
