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In den letzten Jahren hat die rasante Entwicklung von Cloud Computing, Internet und künstlicher Intelligenz zu einer rasanten Entwicklung von Rechenzentren geführt. Sei es beim Bau von Rechenzentren oder bei der Leistungssteigerung von Rechenzentren, wird die Nachfrage immer dringlicher. Bis 2019 wurden weltweit 10 Millionen optische Transceiver für Rechenzentren ausgeliefert, und der Markt wird 2021 ein Volumen von 4,9 Milliarden US-Dollar erreichen, das Wachstum ist also sehr rasant. Im Vergleich zu den bisherigen Technologien liegt die treibende Kraft im Telekommunikationsnetz, wie z. B. bei Routern und optischer Übertragung. Der Bedarf an Bandbreitenwachstum ist dringender. Wie wir jetzt sehen, wird es am Beispiel von 100G mehrere Jahre früher Router und Übertragungen geben als Rechenzentrums-Switches. Aber bei 400G-Optik erscheinen CFP-Module. Aber der optische 100G-Transceiver für Rechenzentren wird voraussichtlich Ende dieses Jahres erscheinen, es besteht also ein Jahr Abstand, und der zukünftige Bedarf könnte derselbe sein. Aus einer anderen Perspektive betrachtet, unterscheiden sich die Anforderungen an optische Transceiver im Rechenzentrum von denen im Telekommunikationsnetz. Dort gelten höhere Anforderungen an Miniaturisierung, hohe Dichte, geringen Stromverbrauch und niedrige Kosten. Mit anderen Worten: Wir sind davon überzeugt, dass das Rechenzentrum mittlerweile zu einem weiteren Motor für die Entwicklung optischer Kommunikationstechnologien geworden ist.
Diskussion über die optische Verbindungstechnologie von Rechenzentren der nächsten Generation
Darüber hinaus beobachten wir einen umfassenden Trend zur Offenheit von Hardware und Software in Rechenzentren. Die Infrastruktur von Rechenzentren wird für unsere Endnutzer zunehmend zu einer Whitebox und nicht mehr zu einer unsichtbaren Blackbox. Dieser Vorteil reduziert nicht nur die Kosten, sondern ermöglicht uns auch einen besseren Zugriff auf die interne Technologie. So können wir schneller auf die tatsächlichen Bedürfnisse der Vorlieferanten reagieren und unsere eigenen Anforderungen in die Realität umsetzen. Deshalb gibt es im 100G-Zeitalter eine Vielzahl von Mikrostandards, die sich vom Vorgängerstandard unterscheiden. Dies liegt daran, dass auch die Nutzeranforderungen von Rechenzentren vielfältiger werden.
Offene optische Transceiver-Erfahrung
Der erste Schritt besteht in der Entwicklung technischer Spezifikationen, die sehr wichtig ist. Jeder weiß, dass es wie bei optischen Transceivern auch für AOCs eine Standardorganisation mit allen photonischen Parametern und Definitionen gibt. Bei der Integration stellen wir jedoch häufig fest, dass optische Transceiver oder AOCs an das System angeschlossen sind, nicht erkannt werden, nicht funktionieren, instabil sind oder die Zugriffsinformationen falsch sind. Der Grund dafür ist, dass trotz des vorhandenen Standards jeder im Implementierungsprozess, ob Geräte oder Anbieter optischer Transceiver, die Spezifikation unterschiedlich versteht oder der Standard nicht alle Anforderungen erfüllt, um Produkte schnell auf den Markt zu bringen. Beispielsweise gibt es Unterschiede im Verständnis des Inhalts oder der Übereinstimmung zwischen Hochgeschwindigkeitssignalen, insbesondere im 25G-Zeitalter, wo optische Transceiver wie AOCs über CDR verfügen und ein Gleichgewicht besteht. Die Kombination dieser Parameter verursacht mehr Probleme als zuvor, beispielsweise bei optischen Transceivern mit 10G und 1G.
Zweitens muss die Bedeutung von Integrationstests mit der Spezifikation kombiniert werden. Die Probleme, die wir in unserem integrierten Design finden, werden schnell an unsere Spezifikationen zurückgemeldet, und diese beiden können dazu beitragen, dass der gesamte optische Transceiver, der in Systemgeräten verwendet wird, reibungsloser läuft.
Drittens: Die Herausforderungen in Bezug auf Leistung, Stabilität und Zuverlässigkeit. Wir wissen, dass das Cloud-Computing-Geschäft sehr kritisch ist. Bei der optischen Kommunikation beträgt die gesamte Übertragungsrate, die kontinuierliche Übertragungseffizienz von 1 × 10-12, mehr als 16 Minuten, bei 10G-Geschwindigkeit kann dies 100 Sekunden dauern, bei 100G-Geschwindigkeit 10 Sekunden. Bei steigenden Datenmengen wird die gleiche Fehlerrate für den Menschen immer deutlicher wahrnehmbar. Tatsächlich dürfen sich unsere Rechenzentren keine Fehler erlauben, insbesondere das heutige Speichergeschäft reagiert zunehmend anfälliger auf Paketverluste. Daher muss die Leistung unserer optischen Transceiver verbessert und nicht verringert werden. Da die Anforderungen an Stabilität und Zuverlässigkeit in unserem Geschäft gestiegen sind, haben wir von den Herstellern optischer Transceiver einen 2000-Stunden-Test angefordert.
Viertens: Beim Einsatz offener optischer Transceiver stehen wir auch vor Herausforderungen bei Konstruktion, Betrieb und Wartung. Früher mussten wir den optischen Transceiver vom Systemhersteller kaufen, heute muss der Benutzer ihn selbst bauen und warten. Bei Problemen müssen wir das Problem lokalisieren.
Noch wichtiger ist, dass wir weiterhin in der Praxis zusammenfassen, wie wir diese Probleme, Prozessprobleme und technischen Probleme finden und schließlich den gesamten Prozess klären, damit beim gesamten offenen optischen Transceiver und AOC von Drittanbietern im Rechenzentrum keine Probleme auftreten.
Trend der zukünftigen Entwicklung von Rechenzentrumsnetzwerken
Sprechen wir nun über die Richtung der nächsten Generation von Rechenzentrumsnetzwerken. Unsere optische Verbindungstechnologie ist in zwei Teile unterteilt: Der erste Teil führt vom Server zum Access-Switch, der typischerweise ein aktives optisches Kabel (AOC) als Übertragungsmedium verwendet. Der zweite Teil führt zum Core-Switch, der über einen optischen Transceiver verbunden ist. Die Übertragungsrate ist viermal so hoch wie die Übertragungsrate bei Gigabit und 10 Gigabit, also zehnmal so hoch.
Da die Entfernung zwischen Server und Zugangsschalter relativ gering ist, wird für die Verbindung üblicherweise ein AOC-Kabel verwendet. Da die Verbindungsentfernung zwischen den Schaltern normalerweise größer ist, verwenden wir optische Transceiver und Glasfaserkabel. In der Vergangenheit wurden 10G und 40G bereitgestellt, heute 25G und 100G. In Zukunft wollen wir 100G und 400G-Netzwerke nutzen, die Zugangsschicht verwendet 100G und die Verbindung zum Kernschalter beträgt 400G. Die nächste Generation von Single-Channel-25G sollte 50G sein. Warum überspringen wir 50G und 200G? Weil wir der Meinung sind, dass sowohl vorgelagerte Anbieter als auch Benutzer so viel Aufwand betreiben, um diese Rate zu verbessern, wenn der Nutzen nur doppelt so hoch ist, was unserer Meinung nach nicht sehr gut ist. Wir wollen direkt auf die Rate von 400G und 100G umsteigen.
400G optisches Transceiver-Paket
Wir stellen nun das zukünftige mögliche Paket für optische 400G-Transceiver vor. Wir wissen, dass es viele verschiedene Typen optischer Transceiver gibt, manche sind klein, manche groß. Größere Formfaktoren ermöglichen die Integration von mehr optischen Geräten, bieten mehr Schnittstellen und ermöglichen höhere Geschwindigkeiten optischer Transceiver. CDFP und CDP8 sind Beispiele hierfür. Sie sind frühe Anwendungsfälle. CDFP und CFP8 können nur 16 Einheiten aufnehmen, der Stromverbrauch kann 12 W erreichen und die maximale Bandbreite pro HE beträgt 6,4 T. Diese beiden Pakete sind zu groß, daher glauben wir nicht, dass sie die erste Wahl für Rechenzentrums-Switches sein werden, sondern eher für Telekommunikationsnetze. Die Anzahl der Kanäle im elektrischen Signal beträgt 16 25G, was bedeutet, dass der optische Transceiver mit der aktuellen Servicekapazität genutzt werden kann.
Die 400G- Optiktransceiver für Rechenzentren werden eher in OSFP- oder QSFP-DD-Ausführung angeboten. Beide verfügen über eine 8x50G-Signalschnittstelle, und die Anzahl der Ports pro Einheit kann geringfügig variieren (32 bzw. 36). Wir tendieren zu QSFP-DD, dessen Größe mit der des vorherigen QSFP28 identisch ist. Für die Mitarbeiter unseres Rechenzentrums ändert sich an Größe und Aussehen der optischen Transceiver nicht viel. Für Wartungspersonal ist die Identifizierung einfacher und es besteht kein zusätzliches Risiko. Gleichzeitig ist es immer noch klein, sodass Systemhersteller die bisherige Leistung beibehalten können, da unser Architekturdesign von der Vergangenheit übernommen werden kann.
QSFP112 ist ein 400G-Transceiver, und kurzfristig dürfte es schwierig sein, ein so kostengünstiges 4x100G-Kanalsystem zu realisieren. Neben diesen steckbaren Modulpaketen gibt es auch einen Plan für die Platine. Dies ist für Rechenzentrumsbenutzer gedacht, da ein Betrieb vor Ort nicht möglich ist. Dies ist ein relativ großer Schwachpunkt. Wenn wir das Paket nicht anschließen können, ist dies wirklich unsicher. Andernfalls werden wir uns nicht für dieses platinenbestückte System entscheiden.
Betrachten wir nun die Auswahl der Transceiver für Rechenzentren. 10G wird AOC verwendet, 40G hauptsächlich ESR4, eingeführt 2013. 25G und 100G werden dieses Jahr eingeführt. Da 100G jedoch nur 100 Meter über PSM4 erreicht, müssen wir das Problem der 100 Meter größeren Entfernung lösen. Für die Zukunft des 100G- und 400G-Netzwerks planen wir zunächst, die Schicht mit 100G SSFP56-DD zu erreichen. Der gesamte Entwicklungsprozess ist klar: Von den Zugriffsdaten 10G auf 100G kann die Portdichte am Switch beibehalten werden, während die Bandbreitendichte um das 2,5- bis 10-fache erhöht wird.
Warum ein solches Schema wählen?
Im 10G- und 40G-Zeitalter gibt es tatsächlich nicht viele Standards. Hauptsächlich werden 40G SR4, ESR4 und LR4 verwendet. Die Verbindung zum Rechenzentrum wird über 300 Meter abgedeckt. Deshalb entscheiden wir uns bei 40G meist für Multimode-Lösungen. Nur wenige Anbieter mit mehr als 300 Metern entscheiden sich für 40G LR4 Lite oder LR4 Singlemode-Lösungen. 10G-Zugriffe werden hauptsächlich über AOC bereitgestellt. Die Entfernungsbeschränkungen sind gering und die Kosten sind akzeptabel.
Im heutigen 25G- und 100G-Zeitalter ist die 100G SR4-Multimode-Technologie zwar auch relativ ausgereift, kann jedoch nur Entfernungen bis zu 100 Metern bewältigen. Diese Entfernung wird von den meisten Szenarien abgedeckt. Bei Verbindungen über 70 bzw. 100 Metern wählen wir jedoch 100G PSM4. Dies ist vorteilhafter. Die meisten Rechenzentren in China können Multimode- und Singlemode-Lösungen kombinieren und einige wenige Singlemode-Lösungen verwenden, während in den USA strukturiertere Verkabelungen und möglicherweise vollständige Singlemode-Lösungen verwendet werden. Beim 25G-Zugang sehen wir derzeit, dass AOC noch relativ teuer ist, jedoch in einem schnell abnehmenden Kanal. Der DAC hat weder in der Leistung noch in der Wartungsschnittstelle des AOC-Schemas etwas zu bieten, aber die Kosten sind derzeit relativ niedrig, sodass er mancherorts noch eingesetzt werden kann.
100G/400G-Lösung
Mit der nächsten Generation der 100G- und 400G-Netze wird die Implementierung von Hochgeschwindigkeitssignalen immer schwieriger. Bisher kannte man zwei Möglichkeiten, die Bandbreite der gesamten optischen Verbindung zu erhöhen: Erstens die Erhöhung der Bitrate jedes Kanals, zweitens die Erhöhung der Kanalanzahl. Die Bitrate lässt sich auf zwei Arten erhöhen: Die erste ist einfach: Wir erhöhen die Baudrate direkt, die zweite Möglichkeit besteht darin, sie unverändert zu lassen und ein höheres Debug-Kodierungsformat zu verwenden. Im Bereich von Milliarden, weniger als einer Million, wird die Baudrate direkt verbessert, da der technologische Engpass noch nicht behoben ist. Ab 10G wird die Erhöhung der Baudrate jedoch immer schwieriger, egal ob es um Strom oder Licht geht. Daher müssen wir die Bandbreite kodieren. Die andere Möglichkeit besteht darin, die Wellenlänge des Kanals und den Fibre Channel zu erhöhen, was zu höheren Kosten führt.
Die Zukunft der 100G- Zugangslösung wird unserer Analyse zufolge voraussichtlich drei Generationen umfassen. Die erste Generation ist bereits im Einsatz, und wir verfügen derzeit über eine kleine Anzahl von 100G-Zugangslösungen. Basierend auf der aktuellen Technologie müssen wir uns für den QSP28-Telekommunikations-Transceiver entscheiden. Die zweite Generation wird mit der nächsten IC-Chip-Generation zusammenarbeiten. Ob Strom oder Licht, wir werden 2x50G realisieren. Die Zukunft der dritten Generation ist 100G mit einem Kanal. Für diesen 100G-Zugang gibt es eigene Anwendungsszenarien. AOC ist hauptsächlich für die relativ langen Verbindungen zuständig, während Kupferkabel für kurze Verbindungen verwendet werden.
Die Entwicklung von 400G-Lösungen ist in vier Generationen unterteilt. Im Allgemeinen ist die Lichtgeschwindigkeit schneller als die von Elektrizität. Die erste Generation ist bereits in Produkten verfügbar, die optische Transceiver-Pakete des Typs CFP8 verwenden. Die Telekommunikation erfolgt weiterhin über 16G und 25G. Die Lichtsignale in diesem Block im Multimode-Modus betragen 16G und 25G. Es gibt 8x50G FR8- und L8-Lösungen. In der zweiten Generation werden alle elektrischen Signale auf 50G und 8 Kanäle aufgerüstet. Der Einzelmodus verfügt über FR8, LOR8, sodass elektrische Signale und Lichtdaten vollständig übereinstimmen. Die dritte Generation erzeugt elektrische Signale bzw. 50G, Licht kann auf 100G aufgerüstet werden. Es gibt drei Arten von Programmen. 400G SR4 hängt davon ab, ob die Multimode-Technologie das Potenzial hat, zu einem 100G-Schema mit einem Kanal aufzusteigen. Die letzte vierte Generation steigt von Elektrizität über Licht auf 100G mit einem Kanal auf. In der Vergangenheit waren die Kosten am niedrigsten, wenn keine Fehlanpassung des optischen Signals vorlag. Wenn das optische Signal heute nicht übereinstimmt, ist eine Verbesserung der Übertragungstechnologie erforderlich.
Bei der 100G-Zugangslösung der nächsten Generation wird derzeit die Zugangsschicht mit 100G SR2 AOC bevorzugt. Dieses AOC kann hauptsächlich Zugangsverbindungen mit einer Länge von 25 bis 30 Metern lösen. Die Vorteile liegen auf der Hand: Große Entfernungen, wenige Einschränkungen. Die Nachteile liegen darin, dass die Entwicklung von Chips und Modulen und die Standardisierung langsamer voranschreiten und die Anschaffungskosten relativ hoch sind. Die Hauptvorteile des Kupferverbindungsschemas liegen in der schnellen Produktentwicklung von 25G DAC. Die Nachteile liegen ebenfalls auf der Hand: Bei kurzen Entfernungen wird das gesamte Kabel dicker, was die Leistung bei großflächiger Bereitstellung beeinträchtigt.
Beim optischen 400G-Verbindungsschema haben wir zunächst Multimode kennengelernt. Einige Schemata sind SR4.2 oder SR8. Das Potenzial ist derzeit schwer auszuschöpfen. Der Kostenvorteil von VCSEL ist jedoch sehr groß. Wenn 50G implementiert werden kann oder Anwendungskosten anfallen, können die Modulkosten sehr niedrig gehalten werden. Die Verwendung von SR16 wird nicht empfohlen. SR8 und SR4.2 erfüllen zwar unsere Anforderungen, aber aufgrund unseres bisherigen Betriebs und unserer Wartung tendieren wir weiterhin zu SR4.2. Es werden zwei Kanäle für Multimode benötigt. Daher kann Breitband-Multimode-Glasfaser verwendet werden. Die Glasfaserkosten sind niedriger. Wir denken, dass 8-Sterne-Breitband-Multimode niedriger ist. Multimode-Schemata können also im 400G-Zeitalter weitergeführt werden. Der Schlüssel liegt in der Glasfaser. Wenn Singlemode im Vergleich zu den Gesamtkosten von Glasfaser und optischem Transceiver im Vergleich zu Glasfaser die Vorteile bietet, ist es immer noch von Nutzen.
Als nächstes folgt ein 400G-Singlemode-Schema. Singlemode ist übersichtlicher und einfacher, da unser Rechenzentrum mit einer maximalen Länge von 500 Metern die meisten Anwendungen abdeckt. Daher sollte DR4 der wichtigste Singlemode sein. PSM4 kann mit 8-adrigen Singlemode-Fasern verwendet werden. Die Glasfaserkosten sind akzeptabel. Da keine Wellenformwechsel im Gerät erforderlich sind, bietet DR4 weitere Vorteile. FR4 hat auch Anwendungsszenarien, in denen gebäudeübergreifende Anwendungen mit mehr als 500 Metern wahrscheinlich zum Einsatz kommen. Diese beiden Programme sind die Hauptlösungen, die wir für zukünftige Rechenzentren halten.
Als nächstes möchten wir das optische 400G-Transceiver-Paket auswählen. Das zuvor erwähnte Paket QSFP-DD ist eine Option, unterstützt Plug-in-Funktionalität, behält dieselben Wartungsgewohnheiten und dieselbe Dichte wie immer bei und ist abwärtskompatibel. Außerdem ist ein reibungsloses Upgrade auf das nächste 400G möglich. Der Evolutionspfad ist sehr klar.
Das Paket des 100G-Optikmoduls ist aufgrund der Zweikanaligkeit nicht förderlich für die Miniaturisierung, wenn die beiden Kanäle weiterhin im bisherigen 4-Kanal-Paket verwendet werden. Wir haben außerdem Innovationen auf SFP-Basis entwickelt und gemeinsam mit verschiedenen Anbietern die SFP-DD-MSA-Organisation etabliert, die ein Hochgeschwindigkeitssignal ermöglicht. Der wichtigste Vorteil besteht darin, die Lücke zwischen den beiden Kanälen im optischen Transceiver-Paket zu schließen. Der Grund für die Wahl liegt darin, dass die Kapselung kleiner als bei QSFP ist und sich für unser Rechenzentrum eignet. Zudem bleibt die Kompatibilität erhalten und ist mit 25G und 50G kompatibel. Möglicherweise benötigen einige Kunden solche Anwendungen.
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