La importancia de los módulos ópticos de 800G como punto de inflexión en el desarrollo de la tecnología de IA

01 Evolución de los módulos ópticos de 800 Gbit/s

El módulo óptico realiza la tarea de conversión de señales fotoeléctricas en la conexión de red, es responsable de convertir la señal eléctrica en señal óptica en el extremo emisor y luego convierte la señal óptica en señal eléctrica en el extremo receptor después de la transmisión a través de la fibra óptica.

Con el desarrollo y la integración de dispositivos optoelectrónicos, su rendimiento y ancho de banda de transmisión continúan mejorando, los módulos ópticos necesitan velocidades de transmisión más altas y tamaños más pequeños para adaptarse a diferentes escenarios de uso. Los métodos de empaquetado también están evolucionando, y los paquetes más pequeños y el consumo de energía significan que los módulos ópticos tienen una mayor densidad de puertos en el conmutador y la misma potencia puede alimentar más módulos ópticos.

Requisitos cada vez mayores de ancho de banda

El aumento de la demanda de ancho de banda ha tenido un impacto significativo en los módulos ópticos de alta velocidad. Con la continua aparición de tecnologías emergentes y la demanda de transmisión de datos a gran escala, los módulos ópticos tradicionales de 100G, 200G y 400G no han podido satisfacer completamente la demanda del mercado. Para satisfacer la creciente demanda de ancho de banda, los módulos ópticos de 800G se están convirtiendo en tendencia.

El crecimiento de la tecnología LPO

En la era de los módulos ópticos de 800G, se destaca la tecnología Linear drive Pluggable Optics (LPO). LPO utiliza componentes analógicos lineales en enlaces de datos sin la necesidad de diseños complejos de CDR o DSP. En comparación con las soluciones DSP, LPO reduce drásticamente el consumo de energía y la latencia, lo que la hace ideal para los requisitos de conexión de datos de corto alcance, alto ancho de banda, baja potencia y baja latencia de los centros informáticos de IA. A medida que los proveedores de servicios en la nube amplían sus recursos informáticos, se espera que las soluciones LPO, incluida 800G LPO, capturen una importante participación de mercado.

02 Paquete de módulo óptico de 800 Gbit/s

Con el avance continuo de la tecnología, la forma de empaque de los módulos ópticos ha experimentado una evolución significativa. Desde los primeros paquetes GBIC hasta paquetes SFP más pequeños y los paquetes 800G QSFP-DD y OSFP actuales. Esta tendencia de desarrollo no solo refleja la mejora continua de la velocidad de los módulos ópticos, sino que también muestra su progreso hacia la miniaturización y el intercambio en caliente. Los módulos ópticos de 800G se utilizan cada vez más en una amplia gama de aplicaciones, incluidas Ethernet, CWDM/DWDM, conectores, Fibre Channel y acceso por cable/inalámbrico.

800G QSFP-DD Factor de forma:

Módulo pequeño enchufable de alta velocidad de cuatro canales de doble densidad. QSFP-DD es el paquete preferido para módulos ópticos de 800G en la actualidad, lo que permite a los centros de datos crecer y escalar de manera eficiente la capacidad de la nube según sea necesario. El módulo QSFP-DD utiliza una interfaz eléctrica de 8 canales con velocidades de hasta 25 Gb/s (modulación NRZ) o 50 Gb/s (modulación PAM4) por canal, proporcionando soluciones de agregación de hasta 200 Gb/s o 400 Gb/s.

Beneficios de 800G QSFP-DD:

1. Compatibilidad con versiones anteriores, compatible con el paquete QSFP+/QSFP28/QSFP56.

2. El conector de jaula integrado apilado 2 por 1 admite sistemas de conectores de jaula de altura simple y doble.

3. Se pueden lograr al menos 12 vatios de capacidad calorífica por módulo a través de conectores SMT y jaula 1xN. La mayor capacidad calorífica puede reducir los requisitos de la función de disipación de calor del módulo óptico, reduciendo así algunos costos innecesarios.

4. En el diseño de QSFP-DD, el grupo de trabajo de MSA consideró plenamente la flexibilidad del uso del usuario, el uso del diseño ASIC, el soporte para una variedad de velocidades de interfaz y puede ser compatible con versiones anteriores (compatible con QSFP+/QSFP28), por lo tanto reduciendo los costos portuarios y los costos de implementación de equipos.

Factor de forma OSFP de 800G:

OSFP es un nuevo módulo óptico, mucho más pequeño que CFP8, pero ligeramente más grande que QSFP-DD, con 8 canales eléctricos de alta velocidad, cada panel frontal de 1U aún admite 32 puertos OSFP, y el disipador de calor integrado puede mejorar en gran medida el rendimiento de disipación de calor.

Beneficios de 800G OSFP:

1. El módulo OSFP está diseñado con 8 canales y admite directamente un rendimiento total de hasta 800G, logrando así una mayor densidad de ancho de banda.

2. Debido a que el paquete OSFP admite más canales y velocidades de transferencia de datos más altas, puede proporcionar un mayor rendimiento y distancias de transmisión más largas.

3. El módulo OSFP tiene un excelente diseño térmico y puede soportar un mayor consumo de energía.

4.OSFP está diseñado para soportar tasas más altas en el futuro. Debido al mayor tamaño del módulo OSFP, es posible admitir un mayor consumo de energía y, por lo tanto, velocidades más altas, como 1,6 T o superiores.

QSFP-DD suele ser el preferido en aplicaciones de telecomunicaciones y OSFP es más adecuado para entornos de centros de datos. Las principales diferencias entre los dos son:

1) Tamaño: el tamaño de OSFP es ligeramente mayor

2) Consumo de energía: el consumo de energía de OSFP es ligeramente mayor que el de QSFP-DD.

3) Compatibilidad: QSFP-DD es perfectamente compatible con QSFP28 y QSFP+, mientras que OSFP no lo es.

03 Tipo de módulo óptico de 800 Gbit/s

800G=8*100G=4*200G, por lo que se puede dividir en dos categorías según la tarifa de un solo canal, es decir, 100G y 200G de un solo canal. La arquitectura correspondiente se muestra en la siguiente figura. Los módulos ópticos de 100G de un solo canal se pueden implementar rápidamente, mientras que 200G requiere requisitos más altos para los dispositivos ópticos. Dado que la velocidad máxima actual admitida por la interfaz eléctrica es PAM4 de 112 Gbps, la caja de cambios debe convertirse para un solo canal de 200 G.

1) 800G SR8

Utiliza un esquema VCSEL con una longitud de onda de 850 nm y una velocidad de canal único de 100 Gbps PAM4, lo que requiere 16 fibras ópticas. Esto puede verse como una versión mejorada del 400G SR4 con el doble de canales. La interfaz óptica es MPO-16 o MPO-12 de 2 filas, como se muestra en la siguiente figura. El módulo óptico 800G SR8 se utiliza generalmente para Ethernet 800G, enlaces de centros de datos o interconexión 800G-800G.

2) 800G SR4

El esquema utiliza transmisión bidireccional de longitud de onda de 850 nm/910 nm, utilizando DeMux en el módulo para separar las dos longitudes de onda. La velocidad de un solo canal es PAM4 de 100 Gbps y requiere 8 fibras ópticas. En comparación con el SR8, la cantidad de fibra en este esquema se reduce a la mitad. Su diagrama de bloques se muestra a continuación:

La interfaz de fibra óptica se muestra en la siguiente figura y utiliza la interfaz MPO-12.

Para casos monomodo, los módulos ópticos de 800G tienen una variedad de estándares:

1) 800G DR8, 800G 2xDR4 y 800G PSM8

La arquitectura interna de estos tres estándares es similar, los 8 de envío y los 8 de recepción, velocidad de canal único de 100 Gbps, requieren 16 fibras ópticas.

El módulo óptico 800G DR8 utiliza 100G PAM4 y tecnología paralela monomodo de 8 canales, y la distancia de transmisión a través de fibra monomodo puede alcanzar los 500 m, que generalmente se usa en centros de datos, 800G-800G, 800G-400G, 800G-100G. interconexión.

El 800G PSM8 utiliza tecnología CWDM, tiene ocho canales ópticos, cada canal óptico con una velocidad de transmisión de 100 Gbps, admite una distancia de transmisión de 100 m, muy adecuado para transmisión de larga distancia y uso compartido de recursos de fibra.

800G 2DR4 se refiere a dos puertos 400G-DR4. Los puertos ópticos de 2DR4 son dos puertos MPU-12, como se muestra en la siguiente figura. Se puede conectar al módulo óptico 400G DR4 sin cables derivados de fibra óptica y admite una distancia de transmisión de 500 m, lo que facilita la actualización del centro de datos. La interfaz óptica de PSM8 y DR8 es MPO-16.

2) 800G 2xFR4 y 2xLR4

La estructura interna de los dos estándares es similar y ambos contienen cuatro longitudes de onda con una velocidad de canal único de 100 Gbps. Para reducir la cantidad de fibras usando Mux, se requieren cuatro fibras, como se muestra en la siguiente figura.

Las dos soluciones son actualizaciones de los módulos ópticos 400G FR4 y LR4, que utilizan longitudes de onda CWDM4 de 1271/1291/1311/1331 nm. 2xFR4 admite una distancia de transmisión de 2 km y 2xLR4 admite una distancia de transmisión de 10 km. La interfaz óptica adopta una interfaz CS dual o LC dual.

3) 800G FR4

El esquema utiliza cuatro longitudes de onda, una velocidad de canal único de 200 Gbps y requiere dos fibras ópticas para soportar una distancia de transmisión de 2 km, como se muestra en la siguiente figura.

Utiliza una interfaz óptica LC dúplex, como se muestra a continuación

4) 800G FR8

El esquema utiliza 8 longitudes de onda, cada una con una velocidad de 100 Gbps, y requiere dos fibras ópticas para soportar una distancia de transmisión de 2 km, como se muestra en la siguiente figura. Ocho canales de longitud de onda para 1271/1291/1311/1331/1351/1371/1391/1411 nm respectivamente.

04 Impacto de Al en el despliegue de módulos ópticos de 800 Gbit/s

¿Por qué 800G son más importantes que 400G para los servidores de IA?

En primer lugar, los servidores de IA requieren altas velocidades de transferencia de datos y baja latencia, lo que requiere conmutadores en la parte superior del rack que coincidan con el ancho de banda subyacente. Estos conmutadores también pueden requerir redundancia retardada, lo que requiere módulos ópticos de alta velocidad. Por ejemplo, el servidor NVIDIA DGX H100 está equipado con ocho módulos GPU H100, cada uno de los cuales requiere dos módulos ópticos de 200G. Por lo tanto, se requieren al menos 16 módulos de 200G para cada servidor y al menos cuatro puertos de 800G para el conmutador superior correspondiente.

En segundo lugar, los chips ópticos de 800G tienen una mayor rentabilidad y beneficios económicos. Utilizan chips EML de 100G, mientras que 200G/400G utilizan chips ópticos de 50G. Los datos muestran que a la misma velocidad, el coste de un chip óptico de 100G es un 30% menor que el de dos chips ópticos de 50G.

Sin embargo, los módulos ópticos de 400G siguen siendo de gran importancia en la industria. Si bien es posible que no igualen la velocidad de los módulos ópticos de 800G, aumentan significativamente el ancho de banda en comparación con tecnologías más antiguas y son la solución preferida para muchas empresas. Además, es posible que algunas aplicaciones no necesiten todas las capacidades de 800G Ethernet, y 400G Ethernet es más práctico para ellas.

A medida que continúa aumentando la demanda de una transmisión de datos más rápida y eficiente, ha llegado la era de los módulos ópticos de 800G. Con capacidades de ancho de banda superiores y avances en la tecnología LPO, los módulos ópticos de 800G están configurados para revolucionar la industria de la IA y los centros de datos.