EN
Základní funkce optických transceiverů ve sítích vysoké rychlosti
Převod elektrického signálu na optický a zachování integritu signálu
Optické transceivery působí jako prostředník mezi elektrickým síťovým zařízením a tenkými skleněnými vlákny, kterým říkáme optická vlákna. Tyto malé pracovní koně převádějí elektrické signály na skutečné světelné pulzy pomocí laserových diod a na druhém konci proces obrací – fotodetektory zachytí světlo a převedou ho zpět na elektrický signál. Tato dvousměrná komunikace nám umožňuje přenášet obrovské množství dat přes optické sítě s úžasnou rychlostí. Zachování čistoty a celistvosti těchto signálů je velmi důležité. Proto výrobci spoléhají na pokročilé techniky, jako je modulace PAM4 ve spojení s digitálními signálovými procesory (DSP). Tyto technologie bojují proti jevům, jako je rozptyl signálu (disperze), útlum signálu (attenuace) a různým neobvyklým nelineárním efektům, které mohou přenos poškodit. I při ohromných rychlostech 400 Gbit/s a vyšších dokáží tyto systémy udržet počet chyb na bitu téměř nulový. Představte si, jak by vypadaly naše datová centra a AI operace bez tak přesné elektro-optické techniky – byli bychom navždy uvězněni ve čekání na dokončení přenosu velkých objemů dat.
Jak se vlnová délka, přenosová rychlost a vzdálenost vzájemně ovlivňují a určují výkon
Výkon a proveditelnost nasazení vysílačů a přijímačů ve skutečnosti závisí na třech klíčových faktorech, které spolu úzce souvisejí: vlnová délka, přenosová rychlost a vzdálenost. Při výběru vlnové délky je zásadní kompatibilita s typy optických vláken. Pro kratší vzdálenosti se běžně používá vlnová délka 850 nm s multimódovým vláknem, které umožňuje přenos dat například rychlostí 100G do vzdálenosti přibližně 100 metrů. Pro delší trasové úseky však inženýři upřednostňují vlnovou délku 1550 nm s jednomódovým vláknem, které dokáže přenášet signály rychlostí 400G až do vzdálenosti přibližně 2 kilometrů. S rostoucími přenosovými rychlostmi – od 400G až po 800G – nelze obejít potřebu buď koherentní optiky, nebo pokročilých technik signálního kódování PAM4. Tento pokrok však má svou cenu: zvyšuje se spotřeba energie a zároveň roste citlivost na problémy v přenosové cestě. I faktor vzdálenosti stanovuje poměrně přísná omezení. Většina spojení na vzdálenost 80 km dosahuje maximální rychlosti pouze 200G kvůli problémům s chromatickou disperzí a poklesu úrovně šumu. Naopak kratší spojení na vzdálenost 10 km mohou skutečně zvládnout rychlosti až 800G, pokud jsou použity vhodné metody předkorekce chyb (FEC) a kompenzace pomocí číslicového zpracování signálu (DSP). Praktičtí návrháři sítí tráví mnoho času vyvažováním těchto protichůdných požadavků při budování systémů, které musí být škálovatelné a schopné se v průběhu času přizpůsobit požadavkům trhu.
Kritické komponenty pohánějící moderní optické transceivery
Laserové diody, fotodetektory a číslicové signálové procesory (DSP): umožňují rychlost a přesnost
Dnešní optické transceivery závisí na třech hlavních součástech, které spolupracují: laserových diodách, fotodetektorech a těch pokročilých číslicových signálových procesorech, kterým říkáme DSP. Laserové diody generují stabilní a rychlé optické signály, obvykle pomocí technologie distribuované zpětní vazby nebo novějších uspořádání založených na křemíkové fotonice, což pomáhá minimalizovat útlum signálu při přenosu dat prostřednictvím optických kabelů. Pokud jde o fotodetektory, většina systémů využívá buď typ PIN, nebo typ s lavinovým násobením, aby převedla přicházející světlo zpět na čisté elektrické signály. Tyto detektory musí být velmi citlivé a zároveň udržovat nízkou úroveň šumu, aby zůstala integrita dat zachována. DSP pak provádí mnoho složitých úkolů „za scénou“, například vyrovnávání signálů v reálném čase, obnovu časování hodinového signálu a dekódování korekcí FEC, aby napravily jakékoli chyby vzniklé během přenosu. Všechny tyto komponenty spolupracují tak, aby bylo dosaženo pozoruhodných bitových chybových sazeb nižších než 1E–15 i na vzdálenostech přesahujících 100 kilometrů. A neměli bychom zapomenout ani na požadavky na deterministickou latenci, které činí tyto systémy nezbytnými pro provoz moderních hyperskalárních datových center a podporu našeho stále rostoucího 5G síťového prostředí.
Výzva 400G+ pro efektivitu: vyvážení výkonu, tepla a šířky pásma
Překročení prahu 400 G způsobuje vážné problémy s tepelným výkonem a spotřebou energie. Pokaždé, když se rychlost přenosu dat zdvojnásobí, vzrostou požadavky na výkon přibližně o 60 až 70 procent, čímž se do těch hustě zabalených síťových portů ukládá více tepla. Pokud není tento přebytečný teplý výkon řádně odváděn, způsobuje zkreslení signálů, urychluje opotřebení komponent a nakonec snižuje spolehlivost celého systému. Průmysl vyvinul několik přístupů k řešení těchto problémů. Někteří výrobci integrují mikrokanálové chladiče, jiní zavádějí adaptivní systémy správy energie, které dokážou snížit spotřebu energie přibližně o 30 procent při nízkém provozním zatížení. Roste také využití technologie křemíkové fotoniky, která zkracuje dlouhé elektrické spoje mezi jednotlivými komponentami a tím snižuje jak ztrátu signálu, tak tvorbu tepla. Co se týče materiálů, dochází také k vylepšením: lasery z fosfidu india mají vyšší účinnost přeměny elektrické energie na světlo (tzv. wall plug efficiency) ve srovnání s tradičními alternativami. Všechna tato technologická zlepšení umožňují moderním transceiverům zvládnout až 400 wattů na jednotku racku při udržení vnitřní teploty pod 50 stupni Celsia – což splňuje tepelné standardy stanovené organizacemi IEEE a OIF pro nepřetržitý provoz při vysokých rychlostech.
Formáty a standardy: Přizpůsobení optických transceiverů potřebám infrastruktury
Výběr správného formátu zajišťuje optimální hustotu portů, tepelné řízení a vzájemnou kompatibilitu v rámci se vyvíjející infrastruktury. Standardizované mechanické a elektrické rozhraní – od SFP po QSFP-DD – umožňují kompatibilitu typu plug-and-play a zároveň podporují postupné zvyšování propustnosti bez nutnosti kompletní modernizace systému.
SFP, QSFP, OSFP a QSFP-DD – škálování hustoty a rychlosti od 1 G do 800 G
Moduly SFP jsou vynikající pro dosažení rychlostí v rozmezí od 1 G do 10 G v kompaktních formátech, které se dobře hodí pro hraniční síťování a přístupové body, kde je prostor omezený. Poté máme verze QSFP, které sdružují čtyři kanály dohromady a jsou tak vhodné pro podporu rychlostí až 100 G v těch velmi hustě zabudovaných přepínačích, které se nacházejí v moderních cloudových datových centrech. Pokud se podíváme dopředu na to, co přijde dále, formáty OSFP i QSFP-DD díky své osmikanálové architektuře a lepším řešením tepelného managementu zvládnou obrovské požadavky na propustnost – od 400 G až po 800 G. Tyto novější návrhy ve skutečnosti zdvojnásobují počet portů na jednotku racku ve srovnání se staršími standardy QSFP28. Podle nedávných zjištění na konferenci OFC 2023 se touto evolucí podařilo snížit spotřebu energie na gigabit přibližně o 30 %, což umožňuje firmám mnohem snadněji upgradovat stávající infrastrukturu 100 G na tyto pokročilé systémy 800 G, optimalizované speciálně pro úlohy umělé inteligence a strojového učení.
SR, LR, ER, ZR, DR, FR: Dekódování standardů dosahového rozsahu pro nasazení ve skutečném světě
Klasifikace dosahu pomáhají určit, čeho lze očekávat od různých typů optických vláken na různých vzdálenostech. Krátký dosah (SR) je vhodný pro vzdálenosti do 300 metrů pomocí vícevidového optického vlákna, které se často používá pro propojení zařízení uvnitř racků nebo mezi budovami na jednom kampusu. Dlouhý dosah (LR) umožňuje delší spojení až do 10 kilometrů prostřednictvím jednovidového optického vlákna, což jej činí ideálním pro síťová řešení pokrývající celé město. Rozšířený dosah (ER) umožňuje ještě delší spojení až přibližně 40 km, zatímco dosah pro dlouhé trasy (ZR) sahá až po 80 km. Pro tyto delší vzdálenosti jsou zapotřebí výkonnější lasery a lepší techniky opravy chyb, aby fungovaly správně v jádrových sítích a podmořních kabelech. Nedávno se objevily specializované kategorie Data Center Reach (DR) a Fiber Reach (FR), určené pro moderní datová centra. DR obvykle pokrývá propojení mezi servery na vzdálenost 500 metrů v architekturách typu spine-leaf, zatímco FR poskytuje standardizované specifikace kompatibilní s různými typy optických vláken podle pokynů IEEE 802.3, čímž zajišťuje vzájemnou kompatibilitu zařízení od různých výrobců.
