400g 光モジュールについて

 

400G が登場した理由

 

帯域幅の進歩には、業界のベテランが期待するようになった一定の必然性があります。当時、10G から 40G への飛躍は重要だと感じられました。その後 100G が登場し、突然誰もがスパイン-リーフ アーキテクチャとイースト{6}}のトラフィック パターンについて話し始めました。でも400G？その変遷は今とは違います。

1G から 25G までうまく機能していた NRZ 変調方式は、100G を超えて経済的に拡張することはできませんでした。物理学は高価になりました。シグナルインテグリティが悪夢となった。確かに、技術的には NRZ をさらに強化することもできますが、-コスト曲線を考慮すると、大量導入には意味がありません。そこで業界は PAM4 に軸足を移しました。

PAM4 の機能-、インフラストラクチャの仕様を検討している場合は、理解する価値があります。-シンボルごとに 1 ビットではなく 2 ビットをエンコードします。 2 つではなく 4 つの振幅レベル。ボーレートを 2 倍にすることなく、データ スループットを 2 倍にします。トレードオフは？信号対雑音比は、NRZ と比較して約 10dB 低下します。-それは簡単なことではありません。これが、すべての 400G モジュールに前方誤り訂正が組み込まれて出荷される理由であり、DSP (デジタル シグナル プロセッサ) がこれらのトランシーバーで非常に重要なコンポーネントになっている理由です。

 

 

フォームファクター戦争

 

私は何年も展示会や調達会議で QSFP{0}}DD 対 OSFP の議論が展開されるのを見てきました。どちらの側にも有効な議論があります。どちらも決定的に勝ったわけではない。

QSFP-DD は、キラー機能として下位互換性を備えた QSFP-DD MSA アライアンスから生まれました。交換する準備ができていない QSFP28 モジュールが大量にありますか? QSFP-DD ケージに直接差し込みます。寸法-幅 18.35 mm、長さ 89.4 mm - 親しみやすいフォームファクタを維持します。 1U フロントパネルに 36 個のポートを搭載できます。すべてのスロットに入力すると、合計スループットは 14.4Tbps になります。段階的にアップグレードするオペレーターにとって、これは非常に重要です。

OSFP は別のアプローチをとりました。 Octal Small Form- ファクター Pluggable グループは、「下位互換性は忘れて、熱管理と将来の拡張性を考慮して最適化しましょう」と述べました。幅 22.58 mm、長さ 107.8 mm の OSFP モジュールは、放熱のための表面積が大きくなります。 QSFP-DD の上限 12 ～ 15 W に対して、最大 15-20 ワットの電力エンベロープをサポートします。コヒーレント光学系を実行している場合、または 800G を計画している場合、そのヘッドルームが重要になります。

NVIDIA は、Quantum-2 InfiniBand プラットフォームの OSFP -に全力を尽くしました。それは何もないわけではありません。しかし、Cisco と Arista のエンタープライズ スイッチは依然として主に QSFP-DD ポートを搭載しています。

 

文字が実際に意味するもの

 

DR4 は両方とも「400G モジュール」であるにもかかわらず、なぜ DR4 のコストが FR4 よりも安いのか疑問に思って仕様書を見つめたことがあるのは、あなただけではありません。命名法はパターンに従いますが、それらのパターンには例外があり、例外には独自のロジックがあります。

• SR（近距離）：マルチモードファイバー、波長850nm。 400G-SR8 は、MPO-16 コネクタ経由で 50G PAM4 の 8 つの並列レーンを使用します。通信範囲は、OM4 ファイバーでは約 100 メートル、-OM3 では 70 メートルです。より高速な VCSEL を使用して 4 つのレーンのそれぞれに 100G をパックする SR4 もあります。到達距離は同じでも、ファイバーの数は少なくなります。 400G-SR4.2 バリアント (BIDI とも呼ばれる) は双方向伝送で賢く、各方向に 2 つの波長を実行して、わずか 4 本のファイバーで 400G を実現します。
• DR4: シングルモード ファイバー、1310nm、500 メートル。-。これは、SR が処理できるよりも長いデータセンター内接続の主力製品です。- 4 つの光レーンはそれぞれ、専用のファイバー ペアを介して 100G PAM4 を伝送します。 MPO-12 コネクタ。ここでのブレークアウト機能は重要です。{14}1 つの DR4 を 4 つの独立した 100G-DR リンクに分割できるため、従来の 100G 機器を接続するときに役立ちます。
• FR4: 2 キロメートル、シングルモード-。ここでギアボックスのアーキテクチャが重要視されます。このモジュールは 8 つの 50G 電気レーンを取得し、DSP を介してそれらを 4 つの 100G 光レーンに変換し、CWDM4 間隔 (1271、1291、1311、1331nm) を使用して 4 つすべてを 1 つのファイバー ペアに波長多重化します。-デュプレックス LC コネクタ。 DR4 の並列アプローチよりもはるかに整然としたケーブル配線。
• LR4以降: FR4 と同じ波長方式ですが、10km の到達距離に最適化されています。 ER4は40kmまでプッシュします。 ZR4 は 80 km に達しますが、コヒーレント検出が必要です。-まったく異なるテクノロジー、異なる価格帯、異なるユースケース。 OIF の 400ZR 標準は、スイッチの前面プレートにプラグ可能なコヒーレント光学系が必要なメトロ DCI アプリケーションを特にターゲットにしています。

 

 

DSP の質問

 

すべての 400G トランシーバーにはデジタル シグナル プロセッサが搭載されています。ひとつひとつ。これはオプションではありません。-PAM4 変調は、高度な信号調整がなければ機能しません。

DSP は実際に何をするのでしょうか?チャネル損失を補償するためのフィードフォワード等化-。シンボル間干渉の判定フィードバック等化。-受信信号からタイミングを抽出するクロックおよびデータ リカバリ。送信時に FEC エンコード、受信時に FEC デコードおよびエラー訂正。コヒーレント モジュールでは、波長分散補償と偏波モード分散管理をそのリストに追加します。

DSP は電力を消費します。たくさんあります。多くの 400G モジュールでは、DSP が総消費電力の半分以上を占めます。 Marvell、Broadcom、および Inphi (現在は Marvell の一部) は、プロセス ノードの縮小と効率の向上を目指して競争し続けています。 DSP が 7nm から 5nm に移行したことで、同等の機能に対して約 20% の大幅な電力節約が実現しました。-

DSP をスイッチ ASIC 自体 (「リニア プラガブル オプティクス」または LPO と呼ぶもの) に組み込むべきかどうかについては、議論が続いています。議論は次のとおりです。すでにスイッチ上で信号処理を行っているのに、なぜそれをすべてのトランシーバーで複製する必要があるのでしょうか。反論には、モジュールの相互運用性と、異なるスイッチ プラットフォーム間で光学系を認定するという現実的な課題が含まれます。-これは今後数年間にわたって展開される予定です。

 

シリコンフォトニクスの登場

 

InP (リン化インジウム) レーザーが 400G を支配すると誰もが予想したときのことを覚えていますか?物語が変わりました。

Intel と Cisco は、標準の CMOS 製造プロセスを使用して光学コンポーネントをシリコン基板に統合するシリコン フォトニクスに早くから賭けていました。{0}約束は常に規模に応じたコストに関するものでした。従来のディスクリート光学系では、それぞれ異なる材料からなるレーザー チップ、変調器、光検出器を手作業で組み立てる必要がありました。シリコン フォトニクスを使用すると、光学エンジンの大部分を 1 つのダイ上に構築できます。

本日出荷される 400G-DR4 シリコン フォトニクス モジュールは、ハイパースケール展開に魅力的な経済性を提供します。 EML-ベースの代替品よりもまだ全般的に安価ではありません-。-しかし、製造歩留まりが向上するにつれて、コストの軌道はシリコンに有利になります。特に変調器セクションでは消費電力も向上します。

そうは言っても、シリコンで製造できるレーザーは平凡です。間接的なバンドギャップの問題は解決されていません。したがって、シリコン フォトニクス モジュールでも、通常は外部の InP または GaAs ゲイン チップを使用し、シリコン プラットフォームにハイブリッドで統合されています。{2}}これはエレガントなエンジニアリングですが、「シリコン フォトニクス」は依然としてやや野心的な用語です。

 

電力と熱の現実

 

このような密度では、空冷は実用的な限界に達しつつあります。液体冷却-スイッチ ASIC のコールド プレート、ラック全体が浸漬される可能性がある-は、もはや珍しいものではありません。これは、施設組織が仕様と維持方法をまだ学んでいない高価なインフラストラクチャにすぎません。

 

ブレイクアウトのシナリオ

 

十分に注目されていない機能の 1 つです。多くの場合、400G モジュールはブレークアウト オペレーション用に構成でき、ホスト システムに対して複数の低レート インターフェースとして提供されます。-

400G-SR8 は、2 つの 200G- SR4 リンク、またはハーフレートで動作する 2 つの 100G- SR4 リンク、さらには 8 つの独立した 50G チャネル（「チャネライズド」または SR8-C バリアント）にもなります。 400G-DR4 は 4 つの 100G- DR 接続に分岐できます。400G スイッチ ポートを 4 つの別々の 100G サーバーに接続する必要がある場合に便利です。

ここでケーブル配線が面白くなります。 MPO-12 ～ 4xLC デュプレックス ブレークアウト ハーネスは、単一の DR4 ポートを使用し、それを 4 つの独立した SMF ペアにファンアウトします。ネットワーク設計者はこの柔軟性を気に入っていますが、ケーブル管理への影響は現実的です。構造化されたケーブル配線計画では、初日からブレイクアウト シナリオを考慮する必要があります。そうしないと、導入から 6 か月後にアドホック パッチ ケーブルを実行することになります。

 

800G が 400G にとって何を意味するか

 

業界の動きは速く、. 800G トランシーバーは現在出荷されています-主に AI クラスタ相互接続用の SR8 および DR8 バリアントです。それは400Gを時代遅れにするのでしょうか？近くにもありません。

400G エコシステムは成熟しました。モジュールのコストが大幅に下がりました。ベンダー間の相互運用性は十分に確立されています。-エンタープライズおよびクラウド ネットワーキングのニーズの大部分にとって、400G はパフォーマンス、コスト、運用の使いやすさのスイート スポットを表します。これは、リーフ-スパイン ファブリックと汎用-データセンター接続にとって、今後何年にもわたって大規模な役割を果たし続けることになります。

GPU が異常な速度でトレーニング データを移動する必要がある AI/ML 環境では、800G、最終的には 1.6T が主流となるでしょう。市場が異なれば、要件も異なり、予算も異なります。ほとんどのネットワークは、その曲線を追う必要はありません。

 

 

誰も書かない実際的な考慮事項

 

苦労して学んだこともいくつかあります。

モジュールの EEPROM 互換性は、ベンダーが認める以上に重要です。あるスイッチ モデルでは正常に動作する「互換性のある」トランシーバーでも、同じ ASIC であってもファームウェアが異なる別のスイッチ モデルではエラーが発生する場合があります。サードパーティの光学部品を評価する際のテスト時間を組み込みます。-

FR4 および LR4 モジュールの LC コネクタは二重-合計 2 つのファイバ-ですが、DR4 および SR8 の MPO コネクタは APC（角度付き物理接触）研磨を使用しています。 APC コネクタと UPC コネクタを混合すると、20dB 以上のリターンロスと断続的なエラーが発生します。色分けには理由があります。

異なるメーカーの PAM4 モジュールでは、FEC 実装が微妙に異なる場合があります。この規格には解釈の余地が残されています。リンク上で不可解なほど多くの修正エラー数が発生している場合は、ファイバー プラントのせいにする前に、一方の端を同じベンダーのモジュールと交換してみてください。-

温度は重要です。これらのモジュールは通常、ケース温度が 70 度までと定格されていますが、その上限に達する前にパフォーマンスが低下します。一貫した動作が必要な場合は、涼しい状態に保ちます。

 

今後の道

 

400G 光モジュールは、最先端のインフラストラクチャから主流のインフラストラクチャに移行しました。 -QSFP-DD と OSFP、パラレルと WDM、シリコンとディスクリート光-といったテクノロジーの決定には、3 年前と同じリスクは伴いません。強固なサプライチェーンが存在します。複数の認定ベンダーが価格と機能で競争します。標準化団体は、ほとんどの相互運用性のエッジケースを解決しました。

現在導入を計画しているネットワーク アーキテクトにとって、選択の枠組みは簡単です。フォーム ファクタをスイッチ プラットフォーム戦略に合わせ、実際の到達距離要件に基づいてトランシーバー タイプ（SR/DR/FR/LR）を選択し、過剰な仕様を避ける必要があります。{0}} 400G-LR4 のコストは 400G-DR4 よりも大幅に高くなります。最長走行距離が 300 メートルの場合、運用上のメリットがなく予算を浪費することになります。

今後数年間で、DSP の低消費電力化、シリコン フォトニクスの歩留まりの向上、おそらくリニア プラガブル アーキテクチャに関する標準化など、段階的な改善がもたらされるでしょう。しかし、基礎的なテクノロジー プラットフォームは安定しており、. 400G はもう出現しません。これは単なるインフラストラクチャです-ので、安心して計画を立てることができます。

正直に言うと？ 100G 時代初期の混乱の後、その予測可能性は評価に値します。