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May 23, 2024

Módulos ópticos em evolução para os data centers do futuro

Os transceptores ópticos desempenham um papel fundamental nos data centers e sua importância continuará a crescer à medida que o acesso ao servidor e as interconexões switch-to-switch exigem velocidades cada vez mais altas para atender às necessidades.

Os transceptores ópticos desempenham um papel fundamental nos data centers, e sua importância continuará a crescer à medida que o acesso ao servidor e as interconexões switch-to-switch exigem velocidades cada vez mais altas para atender às crescentes demandas por largura de banda impulsionadas por streaming de vídeo, computação e armazenamento em nuvem ou aplicações. virtualização. Hoje, os data centers de megaescala normalmente têm portas de acesso de 10G que fazem interface com malhas de comutação de 40G, mas em um futuro próximo, as portas de acesso aumentarão para 25G e as malhas de comutação para 100G. Aqui, analisamos os desafios introduzidos pelas aplicações de data center em módulos ópticos e descrevemos como a indústria está respondendo para atender à demanda.

Um único mega data center que abriga 100.000 servidores interconectados por uma malha horizontal altamente redundante requer um número igualmente alto de links ópticos. Como cada link deve ser terminado em ambas as extremidades por um transceptor óptico, o número de transceptores é pelo menos o dobro do número de links ópticos e pode atingir números ainda mais altos se forem usadas configurações de breakout óptico. Esses volumes elevados podem gerar pontos de baixo custo para transceptores ópticos, embora esses módulos operem na vanguarda da alta taxa de dados. Preços da ordem de US$ 10/Gbps para alcances mais longos, até US$ 1/Gbps para alcances mais curtos, foram apresentados como um desafio para os fornecedores, o que é claramente uma meta ambiciosa, dado que os preços atuais são 5x a 10x mais altos, embora em taxas de dados diferentes ou em um espaço de aplicação diferente.

Reduções de custos desta ordem são difíceis de alcançar apenas com pequenos refinamentos em abordagens comprovadas para projeto e fabricação de módulos. Especificações relaxadas, como redução da temperatura operacional máxima, redução da faixa de temperatura operacional, redução da vida útil do produto e permissão do uso de correção direta de erros (FEC), são exemplos que podem ajudar a reduzir o custo do módulo, pois permite que os fornecedores de módulos adotem projetos de custo mais baixo com níveis mais altos de integração óptica, embalagem não hermética, operação sem resfriamento ou testes simplificados.

Um fator importante que determina as aplicações dos módulos ópticos é o formato. Os data centers atuais se consolidaram em torno de transceptores no formato SFP para acesso ao servidor e em torno de transceptores QSFP para interconexões switch-to-switch. Cabos de cobre de conexão direta (DAC) são normalmente usados ​​quando a distância até a porta de acesso é inferior a 5 m, com módulos ópticos ou cabos ópticos ativos (AOC) usados ​​para alcances mais longos. As portas de acesso 10G usam módulos SFP+, mas farão a transição para SFP28 quando a velocidade de acesso aumentar para 25G. O acesso ao servidor não requer alcance além de 100 m, portanto, esses módulos são normalmente limitados a transceptores baseados em VCSEL operando em fibra multimodo (MMF). No entanto, espera-se também que o ecossistema em torno das faixas 25G seja aproveitado em aplicações como redes empresariais de próxima geração, que impulsionarão a procura de módulos SFP28 que operam em fibra monomodo (SMF) para alcances de 10 km a 40 km.

Topologia de rede do Cloud Datacenter e caminho de atualização antecipado na taxa de dados para acesso ao servidor e malha de comutação.

Os módulos QSFP aceitam 4 pistas de entrada elétrica e operam a 4x a taxa de dados do módulo SFP correspondente. Hoje, o 40G QSFP+ é amplamente implantado em malhas de comutação de data centers. Existem dois esquemas um tanto concorrentes para a interface óptica: fibra monomodo paralela (PSM) e multiplexação por divisão de comprimento de onda (CWDM). O PSM opera em 8 cabos de fita SMF, onde cada pista óptica ocupa um par de fibra duplex. O PSM tem a vantagem potencial de um custo de módulo mais baixo porque não é necessária multiplexação de comprimento de onda, mas os custos de cabos e conectores são significativamente mais elevados do que o duplex, resultando em uma planta de fibra mais cara.

Quatro gerações de transceptores conectáveis ​​100G do lado do cliente: CFP, CFP2, CFP4 e QSFP28 (da esquerda para a direita).

O CWDM opera em cabeamento SM duplex e usa multiplexação por divisão de comprimento de onda para combinar 4 pistas em uma fibra. Aqui, o padrão Ethernet 40GBASE-LR4 existe como especificação de referência para a interface óptica. Como as pistas trafegam em um único fio de fibra, os links CWDM são compatíveis com comutação totalmente óptica, que pode ser usada para gerenciamento e reconfiguração do tráfego do data center. Um desafio com os módulos CWDM é que o custo é normalmente mais elevado do que o PSM devido à necessidade de componentes adicionais, como um multiplexador óptico ou demultiplexador, mas reduções significativas de custos podem ser obtidas reduzindo a distância de transmissão de 10 km (LR4) para 2 km (MR4 ou LR4-Lite).