Cignal AI：展望800G/1.6Tbs客戶(hù)端光學(xué)

  ICC訊（編譯：Nina）Cignal AI與系統(tǒng)和器件供應(yīng)商進(jìn)行了兩個(gè)月的交談，了解了他們對(duì)下一波100Gbps和200Gbps基于PAM4客戶(hù)端光學(xué)的想法。Cignal AI在光器件報(bào)告中提供了800Gbs和1.6Tbs光模塊的完整定量預(yù)測(cè)，但該分析公司希望分享一下他們?cè)谶@些數(shù)字背后的觀察和想法，以幫助客戶(hù)了解數(shù)據(jù)中心內(nèi)的下一波速度：

  - 光器件在進(jìn)度和接口速率方面都遵循芯片的能力，因此要根據(jù)芯片進(jìn)度來(lái)確定光器件進(jìn)度。
  - 800GbE將于明年開(kāi)始大規(guī)模部署，1.6TbE和3.2TbE將在未來(lái)2-3年內(nèi)部署。
  - 關(guān)于QSFP和OSFP的爭(zhēng)論要得出結(jié)論還為時(shí)過(guò)早，在更高的速率下，熱管理將是更難解決的問(wèn)題之一。
  - 有一些努力(但不是很多)致力于用新的高速PAM4速率升級(jí)低速客戶(hù)端光學(xué)器件。

  當(dāng)前一代400GbE客戶(hù)端光學(xué)器件構(gòu)建在到交換機(jī)結(jié)構(gòu)、GPU和其他硅芯片組的每通道50Gbps PAM4電連接上。業(yè)內(nèi)正在構(gòu)建基于每通道100Gbps PAM4的下一代800GbE模塊，同時(shí)已經(jīng)演示了200Gbps PAM4組件。隨著電速率的增加，有更多的高速客戶(hù)端光學(xué)以及升級(jí)到低速客戶(hù)端光學(xué)的選擇。

  100Gbps和200Gbps PAM4概述

  目前的400GbE模塊使用8個(gè)56Gbps PAM4(通常簡(jiǎn)稱(chēng)為50Gbps)電氣連接通道來(lái)提供完整的400Gbps數(shù)據(jù)。在大多數(shù)400GbE模塊中，這些56Gbps的電氣通道連接到單獨(dú)光纖(例如DR4)或波長(zhǎng)(例如FR4)上的四個(gè)112Gbps光通道。

  - 標(biāo)準(zhǔn)的QSFP-DD(有時(shí)稱(chēng)為QSFP56-DD)被設(shè)計(jì)為具有8個(gè)56Gbps信號(hào)通道。DD，即雙倍密度，意味著該模塊的信號(hào)路徑(8)是標(biāo)準(zhǔn)QSFP(4)的兩倍。
  - 具有四個(gè)56Gbps信號(hào)通道的QSFP56模塊也適用于200GbE模塊，并且廣泛可用。業(yè)內(nèi)還定義了支持100GbE的2x56Gbps信號(hào)的SFP-DD112，但其受歡迎程度要低得多。
  - 廣泛部署的QSFP28標(biāo)準(zhǔn)為100GbE模塊提供4路28Gbps信號(hào)。

  112Gbps PAM4(通常簡(jiǎn)稱(chēng)為100Gbps)使每種模塊類(lèi)型的可用速度翻了一番。支持112Gbps PAM4的新模塊不僅可以支持更高的速度，還可以滿足與更高速度相關(guān)的更高功率要求。例如，QSFP-DD的原始規(guī)格是14W，盡管在實(shí)踐中接近20W。112Gbps版本規(guī)格從25W開(kāi)始，一些供應(yīng)商已經(jīng)瞄準(zhǔn)了30W的能力。

  224Gbps PAM4(通常簡(jiǎn)稱(chēng)為200Gbps)將速度再次提高一倍，最終支持每個(gè)模塊高達(dá)1.6Tbps或3.2Tbps。為了支持這些更高的速率，業(yè)內(nèi)將需要開(kāi)發(fā)具有改進(jìn)散熱的新模塊類(lèi)型(例如，OSFP-XD)。

  支持800GbE模塊的112Gbps組件已經(jīng)成熟，基于該技術(shù)的模塊的早期版本在今年3月的OFC22和9月的ECOC22上進(jìn)行了演示。

  224Gbps的PAM4還處于早期開(kāi)發(fā)階段。在OFC22上，Coherent展示了其224Gbps EML, Semtech展示了200Gbps TIA和驅(qū)動(dòng)器，許多供應(yīng)商暗示了他們的224Gbps組件和模塊計(jì)劃。

  100Gbps PAM4模塊

  最受歡迎的112Gbps模塊肯定是QSFP-DD800，設(shè)計(jì)用于8x112Gbps操作，以提供800GbE。然而，每通道112Gbps的PAM4也可以應(yīng)用于低速模塊。例如，SFP112被定義為使用112Gbps PAM4輸入和輸出來(lái)支持單個(gè)100GbE波長(zhǎng)，而當(dāng)前SFP最大速率為10-25Gbps。齒輪箱(Gearboxing)——或者使用額外的邏輯從較低的電氣速率轉(zhuǎn)換為較高的光學(xué)速率——通常是避免的，因?yàn)樗黾恿四K的成本和功率。

  支持112Gbps PAM4接口的最新交換機(jī)硅在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了800GbE，使用這些芯片組構(gòu)建的初始硬件將支持最高密度的800GbE。因此，光模塊制造商的主要關(guān)注點(diǎn)是QSFP-DD800模塊。初始版本將是2x400GbE(2xFR4)和一些8x100GbE，這兩種版本都允許更大的Breakout密度，并避免了IEEE定義800GbE MAC時(shí)的延遲。單接口800GbE設(shè)備將緊隨其后，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部使用的較短距離(500m/2km)DR8跨度是最高優(yōu)先級(jí)。

  至少有一家硬件供應(yīng)商也計(jì)劃為低速模塊(QSFP112和SFP112)構(gòu)建接口。該供應(yīng)商的重點(diǎn)是服務(wù)提供商(而不是數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商)的100GbE速度，他們?nèi)匀徽J(rèn)為城域?qū)?00GbE和400GbE的需求很大。具有單個(gè)112Gbps PAM4輸入和輸出的100GbE模塊的功率將比4通道版本低得多，并且可以與最新的交換機(jī)芯片互連，而無(wú)需齒輪箱。將100GbE接口轉(zhuǎn)換為更小的SFP格式還可以減少前面板空間和支持該接口所需的設(shè)備尺寸。

  專(zhuān)注于數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商的硬件供應(yīng)商不會(huì)構(gòu)建基于112Gbps接口的低速(100GbE、400GbE)模塊。大型數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商正在從100GbE遷移到400GbE，他們認(rèn)為更新網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)被限制的舊設(shè)備沒(méi)有任何好處。目前正在部署的400GbE模塊(8x56Gbps)旨在與當(dāng)前的交換機(jī)芯片對(duì)接，這兩種芯片的部署量仍在增加。這些運(yùn)營(yíng)商將等待幾年后推出的下一代1.6TbE模塊(8x224Gbps或16x112Gbps)，而不是使用新的4x112Gbps模塊和新的交換機(jī)硅重啟這一進(jìn)程。

  基于OSFP-XD規(guī)范的112Gbps接口還將支持首批1.6TbE模塊。OSFP-XD旨在支持16條信號(hào)通道，目標(biāo)是支持1.6TbE，最終支持3.2TbE。

  200Gbps PAM4模塊

  224Gbps PAM模塊定義尚處于早期階段，但224Gbps PAM的最終目標(biāo)是支持3.2TbE(16x224Gbps)。QSFP224模塊已被定義為支持800GbE，但它可能與QSFP112支持400GbE屬于同一類(lèi)別，實(shí)際部署有限。QSFP格式的支持者樂(lè)觀地認(rèn)為，QSFP-DD800模塊的一個(gè)版本可以設(shè)計(jì)為支持1.6TbE(8x224Gbps)，但這項(xiàng)工作尚未正式開(kāi)始。

  QSFP vs OSFP

  QSFP和OSFP格式在模塊供應(yīng)商、硬件供應(yīng)商和運(yùn)營(yíng)商中都有支持者。QSFP一直是高達(dá)400GbE速率的銷(xiāo)量冠軍，OSFP方面僅有谷歌大規(guī)模部署了，但這可能會(huì)在未來(lái)幾代發(fā)生變化。

  也許兩種格式之間最大的區(qū)別是散熱片的位置。在OSFP上，散熱器內(nèi)嵌在模塊中。在QSFP上，散熱片位于硬件板上–籠子(Cage)或設(shè)備中。

  嵌入式散熱器在技術(shù)上是一個(gè)更好的解決方案，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師不必?fù)?dān)心與外部散熱器的熱連接，設(shè)計(jì)更加集成等。然而，嵌入式解決方案是固定在它們?cè)O(shè)計(jì)的位置上的。例如，最初的OSFP設(shè)計(jì)假設(shè)為12W，但現(xiàn)在提出的解決方案將需要30W，這需要更高的氣流和更大的風(fēng)扇功率。

  板載散熱器具有更大的靈活性。例如，板載散熱器可以用不同材料設(shè)計(jì)不同的翅片輪廓等，以更好地最大化散熱。因此，基于QSFP的高功率設(shè)計(jì)通常需要更少的氣流和更少的風(fēng)扇功率。一家供應(yīng)商聲稱(chēng)，在他們的系統(tǒng)中，與OSFP設(shè)計(jì)相比，系統(tǒng)功耗節(jié)省了20%。

  然而，隨著功耗成為一個(gè)更大的問(wèn)題，QSFP由于尺寸較小，可能不具備外部散熱器去除所有熱量的能力。OSFP-XD設(shè)計(jì)更大，同時(shí)包含內(nèi)部和外部散熱器，既簡(jiǎn)單又適合未來(lái)。

  QSFP與OSFP相比具有其他優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)為其迄今為止的成功做出了貢獻(xiàn)。它是向后兼容的，因此當(dāng)前的解決方案可以與上一代(和下一代)兼容。外部散熱器也可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)閯?chuàng)新的散熱器設(shè)計(jì)可以適應(yīng)下一代更高的功率。QSFP也小于OSFP，因此可以安裝在面板上的單元數(shù)量更高。通常，路由器設(shè)計(jì)者更喜歡QSFP，即使他們支持兩種模塊類(lèi)型，但大多數(shù)人承認(rèn)QSFP可能會(huì)在1.6Tbps時(shí)迎來(lái)終結(jié)。

  發(fā)布時(shí)間表

  交換機(jī)芯片的發(fā)布時(shí)間表決定了下一波客戶(hù)端光學(xué)器件的需求。目前大多數(shù)客戶(hù)端光學(xué)器件都部署在路由器中，而客戶(hù)端光學(xué)器件需要路由器硬件。(客戶(hù)端光學(xué)器件也部署在服務(wù)器、AI/ML節(jié)點(diǎn)和其他硬件中，但這些硬件通常落后于路由器部署。)一般的開(kāi)發(fā)計(jì)劃要求客戶(hù)端光學(xué)器件在交換機(jī)芯片組首次到達(dá)之前可用，以便進(jìn)行測(cè)試和集成到完整的系統(tǒng)中。但在系統(tǒng)進(jìn)入批量生產(chǎn)之前，這仍然需要一年的時(shí)間。

  基于112Gbps的光學(xué)器件(800GbE)的芯片組目前已在實(shí)驗(yàn)室中，這意味著少量800GbE光學(xué)器件已交付給系統(tǒng)供應(yīng)商進(jìn)行集成測(cè)試。系統(tǒng)部署計(jì)劃在2023年上半年進(jìn)行，但要到2023年下半年才會(huì)進(jìn)行大規(guī)模部署。Hyperscaler的一些白盒開(kāi)發(fā)可能會(huì)稍早一些，但沒(méi)有人能逃脫交換機(jī)芯片組的時(shí)間限制。

  一些800GbE接口已交付給AI/ML專(zhuān)有系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)使用定制齒輪箱將AI/ML芯片組的56Gbps PAM4信號(hào)升級(jí)到112Gbps。由于這些不是真正的800GbE模塊，而是定制的接口，因此它們不計(jì)入Cignal AI的800GbE模塊出貨量中。

  基于224Gbps的光學(xué)系統(tǒng)預(yù)計(jì)將比基于112Gbps的光學(xué)系統(tǒng)晚18至24個(gè)月，這意味著部署要到2025年。

  結(jié)論

  了解下一波客戶(hù)端光學(xué)技術(shù)背后的技術(shù)和路線圖對(duì)于路由器硬件供應(yīng)商以及制造支持最新速率的轉(zhuǎn)發(fā)器和復(fù)用轉(zhuǎn)發(fā)器的光學(xué)硬件供應(yīng)商至關(guān)重要。Cignal AI要感謝所有為本報(bào)告提供全面和深入信息的供應(yīng)商和運(yùn)營(yíng)商。

  原文鏈接：Previewing 800/1.6Tbs Client Optics - Cignal AI - https://cignal.ai/2022/10/previewing-800-1-6tbs-client-optics/