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El año pasado, el rápido desarrollo de la computación en la nube, Internet y la IA aceleró el desarrollo de los centros de datos, tanto para su construcción como para la necesidad de mejorar su rendimiento. En 2019, los envíos globales de transceptores ópticos para centros de datos alcanzaron los 10 millones, y el mercado alcanzará los 4.900 millones de dólares en 2021, con un crecimiento vertiginoso. En cuanto a las tecnologías anteriores, el principal impulsor reside en las redes de telecomunicaciones, como los enrutadores y la transmisión óptica, cuyas necesidades de crecimiento del ancho de banda son cada vez más urgentes. Sin embargo, como se observa ahora, tomando como ejemplo la tecnología de 100G, los enrutadores y las transmisiones se anticiparán varios años antes que los conmutadores para centros de datos. En cuanto a la óptica de 400G, aparece el módulo CFP. Se espera que los transceptores ópticos de 100G para centros de datos aparezcan a finales de este año. La diferencia de tiempo es de un año, por lo que la demanda futura podría ser la misma. Desde otra perspectiva, los requisitos característicos de los transceptores ópticos en los centros de datos no son los mismos que los de las redes de telecomunicaciones, que presentan mayores exigencias de miniaturización, alta densidad, bajo consumo de energía y bajo coste. En otras palabras, creemos que los centros de datos se han convertido en un motor adicional para el desarrollo de las tecnologías de comunicación óptica.
Debate sobre la tecnología de interconexión óptica del centro de datos de próxima generación
Además, observamos que el hardware y el software de los centros de datos presentan una tendencia de apertura integral. La infraestructura de los centros de datos se está volviendo cada vez más transparente para nuestros usuarios finales, dejando de lado las cajas negras invisibles. Este beneficio, además de la reducción de costos, nos permite acceder a la tecnología interna con mayor facilidad, lo que nos permite reflejar con mayor rapidez las necesidades reales de los proveedores, haciéndolas realidad. Por ello, en la era de 100G, surgen diversos estándares de microcomputadoras, a diferencia del estándar anterior. Esto se debe a que las necesidades de los usuarios de los centros de datos también se están diversificando.
Experiencia de transceptor óptico abierto
El primero es desarrollar especificaciones técnicas, lo cual es muy importante. Todos saben que, al igual que el transceptor óptico , el AOC tiene una organización estándar que tiene todos los parámetros o definiciones fotónicas. Durante la integración, a menudo encontramos que el transceptor óptico o AOC está conectado al sistema, o que no es reconocido, no funciona, es inestable o que la información de acceso se encuentra incorrecta. La razón es que, aunque el estándar existe, todos en el proceso de implementación, los proveedores de equipos y transceptores ópticos tendrán una comprensión diferente de la especificación, o para lanzar el producto rápidamente, el estándar no hace todo lo apropiado. Por ejemplo, la comprensión del contenido causado por la diferencia, o la señal de alta velocidad entre la coincidencia, especialmente para la era 25G, como el transceptor óptico y el AOC tienen CDR, hay un equilibrio, la combinación de estos parámetros causó más problemas que antes como 10G, 1G Transceptor Óptico.
En segundo lugar, la importancia de las pruebas de integración debe combinarse con la especificación. Los problemas que detectamos en nuestro diseño integrado se reflejan rápidamente en nuestras especificaciones, y ambos factores pueden mejorar la fluidez de todo el transceptor óptico utilizado en los dispositivos del sistema.
En tercer lugar, los desafíos de rendimiento, estabilidad y confiabilidad. Sabemos que el negocio de la computación en la nube es crucial. En la comunicación óptica, la velocidad total del proceso de ascenso es de más de 16 minutos, con una eficiencia de ascenso continuo de 1×10⁻², mientras que la velocidad de 10G puede ser de 100 segundos, y la de 100G es de 10 segundos. Esta misma tasa de error, en el caso del crecimiento de datos, será cada vez más evidente para la percepción humana. De hecho, nuestro centro de datos no está dispuesto a detectar ningún error, especialmente en el sector del almacenamiento actual, que es cada vez más sensible a la pérdida de paquetes. Por lo tanto, es necesario mejorar el rendimiento de nuestros transceptores ópticos, no reducirlo. Mientras tanto, nuestros requisitos de estabilidad y confiabilidad son más altos. Hemos solicitado pruebas de 2000 horas para los fabricantes de transceptores ópticos.
En cuarto lugar, al utilizar el transceptor óptico abierto, también debemos afrontar este tipo de desafío de construcción, operación y mantenimiento. Anteriormente, el transceptor óptico debía ser adquirido por el fabricante del equipo del sistema; ahora, la construcción y el mantenimiento corren a cargo del usuario. Si surge algún problema, debemos localizarlo.
Más importante aún, debemos continuar resumiendo en la práctica cómo encontrar estos problemas, problemas de proceso, problemas técnicos y, finalmente, aclarar todo el proceso, para que todo el transceptor óptico de terceros abierto y el AOC en el centro de datos no presenten ningún problema.
Tendencia de la evolución futura de la red del centro de datos
Hablemos ahora sobre la dirección de la evolución de la red del centro de datos de próxima generación. Nuestra tecnología de interconexión óptica se divide en dos partes: la primera va del servidor al conmutador de acceso, que generalmente utiliza cable óptico activo (AOC) como medio de transmisión. Y la segunda, hacia el conmutador central, donde utilizamos el transceptor óptico. A partir de la velocidad, sabemos que sus múltiplos de velocidad son de 4 veces; antes, era posible que fuera de gigabits y, posteriormente, de 10 gigabits, la relación era de 10 veces.
Debido a la corta distancia entre el servidor y el conmutador de acceso, la conexión general se realiza mediante cable AOC. La distancia de conexión entre conmutadores suele ser mayor, por lo que utilizamos transceptores ópticos y cable de fibra. Anteriormente, se implementaban redes de 10G y 40G; hoy, se implementan redes de 25G y 100G. En el futuro, buscamos redes de 100G y 400G, con una capa de acceso de 100G y una interconexión con el conmutador central de 400G. La próxima generación de canales únicos de 25G debería ser de 50G. ¿Por qué omitir 50G y 200G? Porque creemos que, tanto los proveedores como los usuarios, nos esforzamos demasiado por mejorar esta velocidad si los beneficios solo se duplican, lo cual consideramos insuficiente. Queremos alcanzar velocidades de 400G y 100G directamente.
Paquete transceptor óptico de 400G
Presentamos el posible encapsulado del futuro transceptor óptico de 400G. Sabemos que existen diversos tipos de encapsulados de transceptores ópticos, algunos pequeños y otros grandes. Un encapsulado con un factor de forma mayor facilita la inclusión de más dispositivos ópticos, proporciona más interfaces y permite una mayor velocidad del transceptor óptico. CDFP y CDP8 son similares a este, siendo su uso inicial. Al igual que CDFP y CFP8, solo admiten 16 unidades, con un consumo de energía de hasta 12 W y un ancho de banda máximo por U de 6,4 T. Estos dos encapsulados son demasiado grandes, por lo que no creemos que sean la opción preferida para los conmutadores de centros de datos, sino más bien para las redes de telecomunicaciones. El número de canales en la señal eléctrica es de 16 x 25 G, lo que significa que el transceptor óptico puede utilizarse con la capacidad de servicio actual.
El transceptor óptico de 400G del centro de datos probablemente se empaquetará en OSFP y QSFP-DD. Ambos utilizan la interfaz de señal eléctrica de 8x50G, y la diferencia en el número de puertos MAM por unidad puede ser pequeña (32 y 36). Normalmente, utilizamos QSFP-DD, cuyo tamaño es el mismo que el del QSFP28 anterior. Para el personal de nuestro centro de datos, el tamaño y la apariencia del transceptor óptico no presentan grandes cambios. Para quienes realizamos el mantenimiento, es más fácil de identificar y no presenta ningún otro riesgo. Al mismo tiempo, su tamaño sigue siendo pequeño, lo que permite a los fabricantes de equipos del sistema mantener la robustez anterior y nuestro diseño arquitectónico puede heredar el pasado.
El QSFP112 es un transceptor de 400G, y a corto plazo, será difícil lograr un esquema de canal eléctrico de 4x100G tan económico. Además de estos paquetes de módulos conectables, también existe un plan para la placa. Esto está dirigido a usuarios de centros de datos, ya que no se puede operar in situ. Este es un problema importante. A menos que podamos conectar el paquete, es realmente incierto; de lo contrario, no optaremos por este tipo de esquema de carga de placa.
Ahora, destaquemos la elección del transceptor para el centro de datos. 10G utiliza AOC, mientras que 40G se basa principalmente en ESR4, implementado en 2013. 25G y 100G se implementaron este año, pero dado que 100G solo alcanza 100 metros a través de PSM4, debemos resolver el problema de una mayor distancia de 100 metros. Para el futuro de las redes de 100G y 400G, nuestro plan inicial es acceder a la capa con SSFP56-DD de 100G. El proceso de evolución es claro: desde el acceso a datos de 10G a 100G, la densidad de puertos en el switch se puede mantener, mientras que la densidad de ancho de banda se ha incrementado entre 2,5 y 10 veces.
¿Por qué elegir este esquema?
En la era 10G y 40G, el estándar no es muy amplio, y se centra principalmente en 40G SR4, ESR4 y LR4. Para la conexión a centros de datos, las conexiones a distancias de 300 metros cubren la mayor parte del panorama. Por ello, en 40G, la mayoría de las veces optamos por soluciones multimodo. Un número muy reducido de soluciones 40G LR4 Lite o LR4 monomodo supera los 300 metros. El acceso 10G utiliza principalmente AOC, con restricciones de distancia reducidas y un costo aceptable.
En la era actual de 25G, 100G, vemos que la tecnología multimodo 100G SR4 también es relativamente madura, pero solo puede resolver la distancia más larga de 100 metros, esta distancia está cubierta por la mayor parte de la escena, pero hay muchos más de 70 metros, 100 metros de conexión, elegimos 100G PSM4, esto es más ventajoso. La mayoría de los centros de datos en China pueden combinarse con multimodo y monomodo, con un puñado de estructura única, mientras que hay más cableado estructurado en los Estados Unidos y posiblemente soluciones monomodo completas. Para el acceso 25G, vemos que AOC sigue siendo relativamente costoso, pero en un canal de rápido descenso. El DAC no está en el rendimiento o la interfaz de mantenimiento del esquema AOC, pero el costo es actualmente relativamente bajo, por lo que algunos lugares aún tienen espacio para aplicar.
Solución de 100 g/400 g
Con la próxima generación de redes de 100G y 400G, la implementación de señales de alta velocidad se vuelve cada vez más compleja. Anteriormente, existían dos maneras de aumentar el ancho de banda de toda la conexión óptica: aumentar la tasa de bits de cada canal y aumentar el número de canales. Existen dos maneras de aumentar la tasa de bits: la primera es simple: se aumenta directamente la tasa de baudios; la segunda es mantenerla sin cambios mediante un formato de codificación de depuración más alto. En el caso de miles de billones, menos de un millón, dado que el cuello de botella tecnológico aún no se ha detectado, mejoramos directamente la tasa de baudios. Sin embargo, con la tecnología de 10G, aumentar la tasa de baudios, ya sea para electricidad o luz, se vuelve cada vez más difícil, por lo que se recurre a métodos codificados para aumentar el ancho de banda. La otra opción es aumentar la longitud de onda del canal y el canal de fibra, lo que conlleva un aumento de costos.
El futuro de la solución de acceso 100G se analiza en tres generaciones. La primera generación, actualmente disponible, presenta un número limitado de accesos 100G en el ámbito de las aplicaciones. De acuerdo con la tecnología actual, se debe optar por el transceptor de telecomunicaciones QSP28. La segunda generación, que se basará en la próxima generación de chips IC, ya sean de electricidad o luz, se ha convertido en un método de implementación 2x50G. La tercera generación se centra en el canal único 100G, para que este acceso 100G tenga sus propios escenarios de aplicación. El AOC es el principal responsable de la conexión relativamente larga, mientras que el cable de cobre se utiliza para conexiones cortas.
La solución 400G se ha desarrollado en cuatro generaciones. En general, la velocidad de la luz es superior a la de la electricidad. La primera generación, que utiliza el paquete transceptor óptico CFP8, ofrece telecomunicaciones de 16G y 25G. Las señales de luz en este bloque, en multimodo, son de 16G y 25G. Existen soluciones FR8 y L8 de 8x50G. La segunda generación ha actualizado la señal eléctrica a 50G y 8 canales. El monomodo cuenta con FR8, LOR8, señales eléctricas y datos de luz para una compatibilidad total. La tercera generación, que produce señales eléctricas o 50G, permite actualizar la luz a 100G. Existen tres tipos de programas. El 400G SR4 depende de si la tecnología multimodo tiene el potencial de alcanzar un esquema de 100G de un solo canal. La cuarta generación, que pasa de la electricidad a la luz, alcanza el monomodo 100G. En el pasado, el costo debería ser el más bajo cuando no hay desajuste de la señal óptica, y ahora, si la señal óptica no coincide, es necesario aumentar la tecnología de la caja de cambios.
En la solución de acceso de 100G de próxima generación, actualmente se prefiere la capa de acceso con AOC SR2 de 100G. Este AOC puede resolver conexiones de acceso de entre 25 y 30 metros. Sus ventajas son evidentes: larga distancia y pocas limitaciones. La desventaja radica en el lento desarrollo de chips y módulos, así como en su estandarización, y los costos iniciales relativamente altos. El esquema de conexión de cobre, cuyas principales ventajas son el DAC de 25G y su rápido desarrollo, presenta desventajas evidentes: corta distancia, mayor grosor del cable y un riesgo para el rendimiento en implementaciones a gran escala.
Para el esquema de interconexión óptica de 400G, primero estudiamos el multimodo. Algunos esquemas son SR4.2 o SR8. Si bien el potencial es difícil de explorar, la ventaja en costos de VCSEL es muy grande. Si se puede implementar 50G o existen costos de aplicación, el costo del módulo se puede controlar a un nivel muy bajo. No se recomienda usar SR16. Si bien SR8 y SR4.2 cumplen con nuestros requisitos, debido a nuestra operación y mantenimiento anteriores, aún preferimos usar SR4.2, que requiere multimodo de dos canales, para poder usar fibra multimodo de banda ancha, cuyo costo es menor. Creemos que el multimodo de banda ancha de ocho estrellas es menor. Por lo tanto, el esquema multimodo en la era de 400G puede continuar, la clave está en la fibra óptica. Si la fibra más el transceptor óptico, el monomodo, en comparación con el costo total, tiene la ventaja, y aún conserva su vitalidad.
El siguiente esquema monomodo de 400G es más claro y simple, ya que nuestro centro de datos, con una longitud máxima de 500 metros, cubre la gran mayoría de las aplicaciones. Por lo tanto, DR4 debería ser el principal monomodo. Se puede utilizar en PSM4 de fibra óptica monomodo de 8 núcleos. El costo de la fibra óptica es aceptable. No es necesario el salto de onda del dispositivo, lo que ofrece mayores ventajas. FR4 también se aplica en un escenario de más de 500 metros de aplicaciones interedificio, y estos dos programas son las principales soluciones que consideramos para los futuros centros de datos.
A continuación, se encuentra el paquete transceptor óptico de 400G que queremos seleccionar, el paquete que acabamos de mencionar, QSFP-DD es una opción, admite conexión, mantiene los mismos hábitos de mantenimiento y densidad que siempre, y puede ser compatible con versiones anteriores, también puede suavizarse, actualizar al próximo 400G, la ruta de evolución es muy clara.
El encapsulado del módulo óptico de 100G, al ser de dos canales, si estos se siguen utilizando en el encapsulado anterior de 4 canales, no favorece la miniaturización. Además, hemos implementado innovaciones basadas en SFP, en colaboración con diversos proveedores para promover y establecer la Organización SFP-DD MSA, incorporando una señal de alta velocidad. El objetivo principal es cubrir la brecha entre los dos canales en el encapsulado del transceptor óptico. La razón para elegirlo es su encapsulado más pequeño que el QSFP, lo que lo hace adecuado para nuestro centro de datos y mantiene la compatibilidad, pudiendo ser compatible con 25G y 50G, aplicaciones que podrían requerir algunos clientes.
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