Оптические модули развиваются для центров обработки данных завтрашнего дня

Оптические трансиверы играют ключевую роль в центрах обработки данных, и их значение будет продолжать расти, поскольку доступ к серверам и межкоммутационные соединения требуют все более высоких скоростей для удовлетворения растущих требований к пропускной способности, обусловленных потоковым видео, облачными вычислениями и хранилищами или приложениями. виртуализация. Сегодня мега-центры обработки данных обычно имеют порты доступа 10G, которые взаимодействуют с коммутационными фабриками 40G, но в ближайшем будущем порты доступа увеличатся до 25G, а коммутационные фабрики — до 100G. Здесь мы рассматриваем проблемы, связанные с приложениями центров обработки данных на оптических модулях, и описываем, как отрасль реагирует на удовлетворение спроса.

Единый мегацентр обработки данных, в котором размещены 100 000 серверов, соединенных между собой высокоизбыточной горизонтальной сеткой, требует такого же большого количества оптических каналов. Поскольку каждое соединение должно быть завершено на обоих концах оптическим приемопередатчиком, количество приемопередатчиков как минимум в два раза превышает количество оптических каналов и может достигать еще большего количества, если используются конфигурации оптического разделения. Такие большие объемы могут обеспечить низкую стоимость оптических трансиверов, даже несмотря на то, что эти модули работают на переднем крае высокой скорости передачи данных. Цены порядка $10/Гбит/с для более длинных зон и вплоть до $1/Гбит/с для более коротких сетей были выдвинуты как вызов поставщикам, что, очевидно, является амбициозной целью, учитывая, что сегодняшние цены в 5–10 раз выше, хотя и на разные скорости передачи данных или в другом пространстве приложения.

Снижения затрат на этот заказ трудно добиться, лишь внося лишь незначительные усовершенствования в проверенные подходы к проектированию и производству модулей. Смягченные спецификации, такие как снижение максимальной рабочей температуры, сокращение диапазона рабочих температур, сокращение срока службы продукта и возможность использования прямой коррекции ошибок (FEC), являются примерами, которые могут помочь снизить стоимость модуля, поскольку это позволяет поставщикам модулей применять более дешевые конструкции с более высоким уровнем оптической интеграции, негерметичной упаковкой, работой без охлаждения или упрощенным тестированием.

Важным фактором, определяющим область применения оптических модулей, является форм-фактор. Сегодняшние центры обработки данных сконцентрировались на приемопередатчиках форм-фактора SFP для доступа к серверам и на приемопередатчиках QSFP для межкоммутационных соединений. Медные кабели прямого подключения (DAC) обычно используются, когда расстояние до порта доступа составляет менее 5 м, а для более длинных дистанций используются оптические модули или активные оптические кабели (AOC). Порты доступа 10G используют модули SFP+, но они перейдут на SFP28, когда скорость доступа увеличится до 25G. Для доступа к серверу не требуется расстояние более 100 м, поэтому эти модули обычно ограничиваются трансиверами на базе VCSEL, работающими по многомодовому оптоволоконному кабелю (MMF). Однако также ожидается, что экосистема линий 25G будет использоваться в таких приложениях, как корпоративные сети следующего поколения, которые будут стимулировать спрос на модули SFP28, работающие по одномодовому оптоволокну (SMF) на расстоянии от 10 до 40 км.

Топология сети облачного центра обработки данных и ожидаемый путь обновления скорости передачи данных для доступа к серверам и коммутационной структуры.

Модули QSFP принимают 4 линии электрического ввода и работают со скоростью передачи данных, в 4 раза превышающей скорость соответствующего модуля SFP. Сегодня 40G QSFP+ широко используется в коммутационных фабриках центров обработки данных. Для оптического интерфейса существуют две несколько конкурирующие схемы: параллельное одномодовое волокно (PSM) и мультиплексирование с разделением по длине волны (CWDM). PSM использует 8 ленточных кабелей SMF, где каждая оптическая линия занимает дуплексную оптоволоконную пару. PSM имеет потенциальное преимущество более низкой стоимости модуля, поскольку не требуется мультиплексирование по длине волны, но стоимость кабелей и разъемов значительно выше, чем у дуплексной связи, что приводит к более дорогостоящей оптоволоконной установке.

Четыре поколения подключаемых клиентских приемопередатчиков 100G: CFP, CFP2, CFP4 и QSFP28 (слева направо).

CWDM работает по дуплексному кабелю SM и использует мультиплексирование с разделением по длине волны для объединения 4 полос в одном волокне. Здесь стандарт Ethernet 40GBASE-LR4 существует в качестве эталонной спецификации оптического интерфейса. Поскольку полосы проходят по одной оптоволоконной нити, каналы CWDM совместимы с полностью оптической коммутацией, которую можно использовать для управления трафиком и реконфигурации центра обработки данных. Проблема с модулями CWDM заключается в том, что их стоимость обычно выше, чем у PSM, из-за необходимости использования дополнительных компонентов, таких как оптический мультиплексор или демультиплексор, но значительное снижение затрат может быть достигнуто за счет уменьшения расстояния передачи с 10 км (LR4) до 2 км (MR4). или LR4-Lite).