EN
Основна функция на оптичните трансивъри в мрежи с висока скорост
Преобразуване от електрически към оптичен сигнал и запазване на цялостта на сигнала
Оптическите трансивъри действат като посредници между електрическото мрежово оборудване и тези тънки нишки от стъкло, които наричаме оптични кабели. Тези малки работни коне приемат електрически сигнали и ги превръщат в истински светлинни импулси чрез лазерни диоди, след което извършват обратния процес в другия край, където фотодетекторите улавят светлината и я преобразуват отново в електричество. Този двупосочен процес ни позволява да изпращаме огромни количества данни по фиброви мрежи с невероятни скорости. Задържането на сигналите чисти и непокътнати е от голямо значение. Затова производителите разчитат на напреднали технологии като модулацията PAM4, комбинирана с цифрови сигнален процесори (DSP). Тези технологии противодействат на явления като разпръскване на сигнала (дисперсия), загуба на сигнал (атенюация) и различни нелинейни ефекти, които могат да нарушат предаването. Дори при изключително високи скорости от 400 G и по-високо тези системи успяват да поддържат битовите грешки почти незабележими. Представете си как биха изглеждали нашите центрове за обработка на данни и AI-операции без такава прецизна електрооптична инженерия — щяхме да стоим и да чакаме вечно, докато завършат тези големи прехвърляния на данни.
Как дължината на вълната, скоростта на предаване на данни и разстоянието взаимодействат, за да определят производителността
Производителността и възможността за разгъване на предавателно-приемните устройства всъщност зависят от три ключови фактора, които действат съвместно: дължина на вълната, скорост на предаване на данни и разстояние. При избора на дължини на вълната съвместимостта с типовете оптични кабели има голямо значение. За по-къси разстояния най-често се използва дължина на вълната 850 нм заедно с многомодови оптични кабели, които осигуряват предаване на сигнали до 100 G на разстояние около 100 метра. При по-дълги разстояния обаче инженерите използват дължина на вълната 1550 нм заедно с едномодови оптични кабели, които позволяват предаване на сигнали до 400 G на разстояния до около 2 километра. Когато скоростта на предаване на данни нараства от 400 G до 800 G, неизбежно се налага използването или на когерентна оптика, или на напредналите методи за модулация PAM4. Това обаче има своя цена: увеличеното енергопотребление и по-голямата уязвимост към проблеми по предавателния път. Факторът „разстояние“ също налага доста строги ограничения. Повечето връзки на 80 км достигат максимум 200 G поради проблеми с хроматичната дисперсия и намаляване на нивото на шума. От друга страна, по-късите връзки на 10 км могат да поддържат скорости до 800 G, стига да се прилагат подходящи методи за корекция на грешките напред (FEC) и компенсация чрез цифрова обработка на сигнала (DSP). В реалния свят проектирането на мрежи изисква от специалистите значително време за балансиране на тези взаимно противоречащи изисквания, докато създават системи, които трябва да се мащабират и адаптират към променящите се пазарни изисквания с течение на времето.
Критични компоненти, които задвижват съвременните оптични трансивъри
Лазерни диоди, фотодетектори и цифрови сигнали: осигуряване на скорост и точност
Днешните оптични трансивъри разчитат на съвместната работа на три основни компонента: лазерни диоди, фотодетектори и онези сложни цифрови сигнали процесори, които наричаме DSP-ове. Лазерните диоди генерират стабилни и бързи оптични сигнали, обикновено чрез технология с разпределена обратна връзка или по-нови решения, базирани на кремниева фотоника, което помага да се минимизира загубата на сигнал при предаването на данни по фиброви кабели. Когато става дума за фотодетектори, повечето системи използват или PIN-, или лавинни типове, за да преобразуват входящата светлина отново в ясни електрически сигнали. Тези детектори трябва да са изключително бързоотзивни и едновременно с това да поддържат ниско ниво на шум, за да се запази цялостността на данните. DSP-овете изпълняват зад кулисите различни сложни задачи — като например реалновременна еквализация на сигнали, възстановяване на тактовото време и декодиране на корекции чрез FEC (Forward Error Correction), за поправяне на всякакви проблеми, възникнали по време на предаването. Всички тези компоненти работят в пълна синхронизация, за да постигнат онези удивителни битови грешки под 1E-15 дори при разстояния над 100 километра. И нека не забравяме и строгите изисквания към детерминистичната латентност, които правят тези системи незаменими за функционирането на съвременните хипермащабни центрове за обработка на данни и за поддръжката на нашата все по-разрастваща се инфраструктура за мрежи от 5G.
Предизвикателството за ефективност 400G+: Балансиране на мощността, топлината и широчината на лентата
Превишаването на прага от 400 G води до сериозни проблеми с топлината и енергопотреблението. Всеки път, когато скоростта на предаване на данни се удвои, енергийните изисквания нарастват с около 60–70 %, което води до по-висока топлинна концентрация в плътно подредените портове на комутаторите. Ако това допълнително топлинно натоварване не се контролира, то причинява изкривяване на сигнала, ускорено износване на компонентите и в крайна сметка намалява надеждността на системата. Отрасълът е разработил няколко подхода за решаване на тези проблеми. Някои производители интегрират микроканални топлоотводи, докато други внедряват адаптивни системи за управление на енергията, които могат да намалят енергийното потребление с около 30 % при слаб трафик. Също така набира популярност технологията за силициеви фотонни устройства, която съкращава дългите електрически връзки между компонентите и по този начин намалява както загубата на сигнала, така и топлинното отделяне. На фронта на материалите също се наблюдават подобрения: лазерите, изработени от индий фосфид, имат по-висок коефициент на енергийна ефективност (wall plug efficiency) в сравнение с традиционните решения. Всички тези напредъци означават, че съвременните трансивери могат да обработват до 400 вата на единица стойка (RU), като поддържат вътрешната си температура под 50 °C — параметър, който отговаря на термичните стандарти, установени от IEEE и OIF за непрекъснати високоскоростни операции.
Форм-фактори и стандарти: Съвместяване на оптичните трансивери с инфраструктурните нужди
Изборът на подходящия форм-фактор гарантира оптимална плътност на портовете, ефективно термично управление и взаимодействие в рамките на динамично развиващата се инфраструктура. Стандартизираните механични и електрически интерфейси — от SFP до QSFP-DD — осигуряват съвместимост „включи и работи“, като поддържат постепенни надградки на пропускателната способност без необходимост от пълна замяна на системата.
SFP, QSFP, OSFP и QSFP-DD — Мащабиране на плътността и скоростта от 1 G до 800 G
Модулите SFP са отличен избор за постигане на скорости от 1 G до 10 G в компактни форм-фактори, които работят добре в гранични мрежи и точки за достъп, където пространството има значение. След това имаме версиите QSFP, които обединяват четири канала, което ги прави подходящи за поддържане на скорости до 100 G в плътно компонентните комутатори, разположени в повечето съвременни облачни центрове за обработка на данни. Поглеждайки напред към следващото поколение, както форматът OSFP, така и форматът QSFP-DD могат да задоволяват масивните изисквания към пропускана ширина – от 400 G до дори 800 G – благодарение на архитектурата си с осем канала и подобрени решения за управление на топлината. Тези по-нови дизайн-решения всъщност удвояват броя на портовете на един стойка-юнит в сравнение с по-старите стандарти QSFP28. Според последните резултати, представени на конференцията OFC 2023, тази еволюция е успяла да намали потреблението на енергия на гигабит с около 30 %, което значително улеснява компаниите при модернизацията на съществуващата си инфраструктура от 100 G към тези предовременни системи от 800 G, оптимизирани специално за работни натоварвания в областта на изкуствения интелект и машинното обучение.
SR, LR, ER, ZR, DR, FR: Декодиране на стандартите за обхват за реални развертания
Класификацията на обхвата помага да се определи какво можем да очакваме от различните типове фибри на различни разстояния. Кратък обхват (SR) е подходящ за разстояния под 300 метра, използвайки многомодова фибра, която често се използва за свързване на оборудване в стойки или между сгради в кампуси. Дълъг обхват (LR) позволява по-дълги връзки – до 10 километра чрез едномодова фибра и е идеален за градски мрежови конфигурации. Разширен обхват (ER) достига още по-далеч – до около 40 км, докато Дълги разстояния (ZR) се простират чак до 80 км. Тези по-дълги разстояния изискват по-мощни лазери и по-ефективни техники за корекция на грешки, за да функционират правилно в магистрални мрежи и подводни кабели. По-скорошно са възникнали специализираните категории „Обхват за центрове за обработка на данни“ (DR) и „Обхват за фибра“ (FR), предназначени за съвременните центрове за обработка на данни. DR обикновено покрива връзки на 500 метра между сървъри в архитектури тип „spine-leaf“, докато FR предоставя стандартизирани спецификации, които работят с различни типове фибри според насоките на IEEE 802.3, осигурявайки съвместимост между оборудване от различни производители.
