Comment les émetteurs-récepteurs à fibre optique évolueront-ils pour les futurs centres de données ?

Dans les centres de données modernes, les émetteurs-récepteurs à fibre optique jouent un rôle essentiel. Et leur importance continuera de croître dans les années à venir, car l'accès aux serveurs et les interconnexions entre commutateurs nécessitent des débits toujours plus élevés pour répondre aux besoins croissants en bande passante liés au streaming vidéo, au cloud computing et au stockage, ou encore à la virtualisation des applications. Quels défis ont donc été posés par les applications des centres de données ? Et comment les émetteurs-récepteurs à fibre optique évolueront-ils pour les centres de données du futur ?

Défi du coût des émetteurs-récepteurs à fibre optique

Dans un centre de données géant, des milliers d'appareils sont en fonctionnement. Prenons l'exemple d'un centre de données géant hébergeant 100 000 serveurs interconnectés par un maillage horizontal hautement redondant, nécessitant un nombre tout aussi élevé de liaisons optiques. Le nombre d'émetteurs-récepteurs à fibre optique est au moins deux fois supérieur à celui des liaisons optiques, car chaque liaison doit être terminée par des émetteurs-récepteurs à fibre optique à ses deux extrémités. En fait, le nombre d'émetteurs-récepteurs à fibre optique peut être encore plus élevé avec des configurations de dérivation optique. Il est indéniable que de tels volumes d'émetteurs-récepteurs à fibre optique sont trop coûteux et peu propices au développement des centres de données. C'est pourquoi les entreprises recherchent une stratégie de réduction des coûts pour les émetteurs-récepteurs à fibre optique. Cependant, les fournisseurs ont du mal à obtenir des prix bas. En effet, les prix actuels sont cinq à dix fois plus élevés, même à des débits différents ou dans des domaines d'application différents.

À vrai dire, il est difficile de réduire les coûts, ne serait-ce qu'en apportant des améliorations mineures aux approches éprouvées de conception et de fabrication des émetteurs-récepteurs. Cependant, l'assouplissement des spécifications, comme l'abaissement de la température maximale de fonctionnement, la réduction de la plage de températures de fonctionnement, la réduction de la durée de vie du produit et l'autorisation de la correction d'erreur directe (FEC), peut contribuer à réduire le coût des émetteurs-récepteurs à fibre optique. Cela permet aux fournisseurs d'adopter des conceptions moins coûteuses avec des niveaux d'intégration optique plus élevés, un boîtier non hermétique, un fonctionnement sans refroidissement ou des tests simplifiés.

Le marché des émetteurs-récepteurs à fibre optique est actuellement relativement mature. Grâce aux accords multi-sources (MSA), les utilisateurs finaux bénéficient d'un plus grand choix de fournisseurs, car ils n'ont pas à payer plus cher pour acheter leurs émetteurs-récepteurs à fibre optique directement auprès des fournisseurs, tout en bénéficiant des mêmes performances.

Transition des émetteurs-récepteurs à fibre optique de 40G à 100G pour les centres de données

Les centres de données modernes à grande échelle disposent généralement de ports d'accès 10G qui s'interfacent avec des matrices de commutation 40G. Cependant, les ports d'accès 25G et les matrices de commutation 100G connaissent une croissance rapide dans un avenir proche. Dans les centres de données, le format est un facteur important pour déterminer les applications des émetteurs-récepteurs à fibre optique. Les centres de données actuels se sont concentrés sur les émetteurs-récepteurs SFP (Small Form-factor Pluggable) pour l'accès aux serveurs et sur les émetteurs-récepteurs QSFP (Quad Small Form Pluggable) pour les interconnexions entre commutateurs. De plus, les câbles en cuivre à connexion directe sont généralement utilisés lorsque la distance jusqu'au port d'accès est inférieure à 5 m, tandis que les câbles optiques actifs (AOC) peuvent être utilisés pour des portées plus importantes.

Les émetteurs-récepteurs SFP+ (Enhanced Small Form-factor Pluggable) jouent un rôle clé dans la transmission 10G grâce à leur compacité, leurs performances et leurs économies. Ils sont largement utilisés depuis longtemps dans les ports d'accès 10G. Cependant, la situation évoluera prochainement avec l'augmentation du débit d'accès à 25G et l'adoption du SFP28 par les ports d'accès 10G. De plus, l'écosystème des voies 25G devrait s'étendre à des applications telles que les réseaux d'entreprise de nouvelle génération, ce qui stimulera la demande de modules SFP28 fonctionnant sur fibre monomode (SMF) sur des portées de 10 à 40 km.

L'émetteur-récepteur QSFP est un émetteur-récepteur parallèle acceptant 4 voies d'entrée électrique et fonctionnant à 4 x 10 Gbit/s. Aujourd'hui, le QSFP+ 40G est largement déployé dans les matrices de commutation des centres de données et connaît une forte croissance avec le déploiement du 40GbE, notamment comme interface 10G haute densité via des câbles breakout. Cependant, IHS Infonetics a publié une étude en mai dernier indiquant que les modules QSFP28 seront déployés en masse lors de la transition des matrices de commutation 40G vers 100G des centres de données à partir de 2016. Qu'est-ce que le QSFP28 ? Comme nous le savons, les émetteurs-récepteurs QSFP de première génération sont équipés de quatre canaux Tx et Rx, chaque canal offrant un débit de 10 Gbit/s. Désormais, chaque canal QSFP peut transmettre et recevoir des données jusqu'à 28 Gbit/s grâce au développement technologique. Ce type d'émetteur-récepteur est appelé QSFP28, ce qui constitue une nouvelle tendance pour les applications 100G.

En réalité, la première approche pour atteindre le 100G est « 10GbE-40GbE-100GbE ». Les premiers émetteurs-récepteurs à fibre optique livrés avec des émetteurs-récepteurs 100G étaient des CFP (interface électrique 100 Gbit/s, 10 voies 10G, telle que définie dans la norme 802.3ba). Mais le CFP2 est rapidement arrivé, offrant une interface électrique 5 voies 25G (ou 10 voies 10G) tout en réduisant de moitié le format du CFP. Malgré cela, son coût et son encombrement sont trop importants pour permettre un déploiement massif. Après le CFP2, le CFP4, deux fois plus petit, a été lancé. Parallèlement, un autre format, le QSFP28 mentionné précédemment, lui fait concurrence. Actuellement, le CFP4 et le QSFP28 semblent être au coude à coude. Le QSFP28 présente un avantage en termes de densité par rapport au CFP4, mais sa consommation maximale plus élevée lui confère un avantage sur les longues distances optiques. De plus, dans les centres de données, la quasi-totalité des liaisons sont généralement inférieures à 2 km. Ainsi, pour les connexions intra-réseaux et la conception des commutateurs d'agrégation, bien que le QSFP28 présente encore quelques problèmes techniques non résolus, les émetteurs-récepteurs QSFP28, de taille quasiment identique à celle du QSFP+, semblent constituer un choix supérieur pour les applications de centres de données.

Considérations relatives aux émetteurs-récepteurs à fibre optique dans les centres de données au-delà de 100 G

Aujourd'hui, l'industrie optique est en pleine effervescence autour des débits « au-delà de 100 G ». Les prochains développements des centres de données suivront la tendance de multiplication par quatre des débits 40 G et 100 G, par exemple 200 G, 400 G, etc. Les émetteurs-récepteurs fibre optique devraient également être envisagés au-delà de 100 G pour répondre à la demande. L'un des indicateurs les plus importants pour les commutateurs de centres de données est la bande passante du panneau avant, qui correspond à la bande passante cumulée de tous les émetteurs-récepteurs pouvant être intégrés dans un équipement de commutation de 19 pouces de large et 1 RU de haut. Généralement, un commutateur standard peut accueillir 32 ports QSFP en face avant. Si les ports sont QSFP+, la bande passante correspondante du panneau avant est de 1,28 Tbit/s (32 x 40 Gbit/s). Avec la mise à niveau vers QSFP28, cette bande passante passe à 3,2 Tbit/s (32 x 100 Gbit/s).

Qu'en est-il de l'avenir du QSFP28 ? Les circuits intégrés ASIC (Application Specific Integrated Circuits) de commutation de nouvelle génération devraient offrir des vitesses de port natives de 50 G et 128 ports, ce qui correspond à un débit net de 6,4 Tbit/s. Autrement dit, pour une application 200 G, les modules QSFP 200 G (QSFP56, 4 x 50 Gbit/s) offriraient une bande passante de 6,4 Tbit/s (32 x 200 Gbit/s). Cependant, la norme 200 GbE n'existe pas encore. Son achèvement est prévu après la norme 400 GbE.

Pour les applications 400G, les normes officielles devraient être finalisées en 2015, soit à peu près au même moment où la plupart des opérateurs annoncent le début de l'évaluation et du déploiement des interfaces 400G. Le module devant prendre en charge 16 voies d'entrée électrique de 25G ou 8 voies de 50G, soit plus que les 4 voies définies pour le QSFP, les émetteurs-récepteurs 400G seront plus grands que ceux du QSFP. De plus, respecter la limite de puissance de 3,5 W des modules QSFP semble impossible pour certaines implémentations 400G. Par conséquent, des propositions de formats plus grands pour le 400G peuvent être anticipées par CFP MSA, qui a rencontré un franc succès en 100G avec les CFP, CFP2 et CFP4. Dans ce cas, une exigence clé sera que la taille permette d'avoir au moins 16 ports en face avant afin d'atteindre un débit net de 6,4 Tbit/s (16 x 400 Gbit/s, et potentiellement plus).

Globalement, trois solutions potentielles pour les émetteurs-récepteurs à fibre optique 400G sont actuellement envisagées, du plus simple au plus difficile :

Parmi elles, la deuxième solution, le 400G-PSM4, semble la plus avantageuse. Bien que son délai de commercialisation soit plus long que celui de la première solution, il reste raisonnable. De plus, son coût potentiel est le plus faible par rapport aux autres solutions, ainsi que sa faible consommation d'énergie.

Perspectives d'un émetteur-récepteur à fibre optique

En tant qu'élément clé des centres de données, les émetteurs-récepteurs à fibre optique offrent de vastes perspectives de développement. La transition des interconnexions 40G vers 100G est imminente. Parallèlement, des normes au-delà de 100G sont en cours d'élaboration et plusieurs pistes d'évolution ont été proposées. Afin de garantir le développement de solutions répondant aux futures exigences des centres de données en termes de coût et de puissance par gigabit, de nouveaux concepts d'émetteurs-récepteurs à fibre optique sont nécessaires. De plus, les fournisseurs d'émetteurs-récepteurs à fibre optique doivent s'adapter à la demande et collaborer étroitement avec les fabricants d'équipements réseau et les opérateurs de centres de données. Nous pensons que les émetteurs-récepteurs à fibre optique pourraient proposer davantage de formats et d'interfaces à l'avenir, et qu'ils seront de plus en plus adaptés aux centres de données du futur.

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