EN
Optisten lähetin-vastaanottimien ydinrooli korkean nopeuden verkoissa
Sähköisen signaalin muuntaminen optiseksi ja signaalilaadun säilyttäminen
Optiset lähetin-vastaanottimet toimivat välittäjinä sähköiselle verkkolaitteistolle ja niille ohuille lasikuiduille, joita kutsutaan optisiksi kuiduiksi. Nämä pienet työhevosten kaltaiset laitteet muuntavat sähkösignaalit valopulssiksi käyttäen laserdioodeja ja kääntävät koko prosessin päinvastoin toisessa päässä, jossa valoherkät tunnistimet havaitsevat valon ja muuntavat sen takaisin sähköksi. Tämä kaksisuuntainen yhteys mahdollistaa valtavien datamäärien lähettämisen optisten kuituverkkojen kautta erinomaisen nopeasti. Signaalien säilyttäminen puhtaina ja ehjinä on erinomaisen tärkeää. Siksi valmistajat luottavat kehittyneisiin tekniikoihin, kuten PAM4-modulaatioon ja digitaalisiin signaaliprosessoreihin. Nämä teknologiat torjuvat ilmiöitä, kuten signaalin hajaantumista (dispersiota), signaalin vaimenemista (attenuaatiota) ja kaikenlaisia epälineaarisia vaikutuksia, jotka voivat häiritä tiedonsiirtoa. Jopa älyttömän nopeilla 400 Gb/s -nopeuksilla ja niitäkin korkeammilla nopeuksilla nämä järjestelmät pystyvät pitämään bittivirheet lähes olemattomina. Kuvittele, miltä datakeskuksemme ja tekoälytoimintamme näyttäisivät ilman tällaista tarkkaa sähkö-optista tekniikkaa. Jouduttaisiimme odottamaan ikuisesti, kunnes suuret datansiirrot saadaan päätökseen.
Miten aallonpituus, siirtonopeus ja etäisyys vaikuttavat suorituskykyyn
Transseiverien käyttöönoton suorituskyky ja toteuttamismahdollisuus riippuvat todellakin kolmesta keskeisestä tekijästä, jotka toimivat yhdessä: aallonpituudesta, siirtonopeudesta ja etäisyydestä. Aallonpituuden valinnassa kuitutyypin yhteensopivuus on erityisen tärkeä tekijä. Lyhyemmillä etäisyyksillä 850 nm:n aallonpituutta käytetään yleisesti monitilaoptisessa kuidussa, jolloin esimerkiksi 100 G:n signaalit voidaan siirtää noin 100 metrin matkalla. Pidemmillä matkoilla insinöörit puolestaan käyttävät 1550 nm:n aallonpituutta yksitilaoptisessa kuidussa, jolla voidaan siirtää 400 G:n signaaleja jopa noin 2 kilometrin matkalla. Kun siirtonopeudet nousevat 400 G:sta aina 800 G:hen saakka, ei voida välttää joko koherenttien optisten komponenttien tai edistyneiden PAM4-signaalointimenetelmien käyttöä. Tämä kuitenkin lisää tehonkulutusta ja tekee siirtolinjasta herkemmin alttiin siirtoreitin ongelmille. Etäisyystekijällä on myös melko tiukat rajoitukset: useimmat 80 km:n yhteydet saavuttavat enintään 200 G:n siirtonopeuden kromatisen dispersioiden ja kohinan tasojen laskun vuoksi. Toisaalta lyhyemmillä 10 km:n yhteyksillä voidaan itse asiassa saavuttaa 800 G:n siirtonopeudet, mikäli käytetään asianmukaisia eteenpäin suuntautuvaa virhekorjausta (FEC) ja digitaalisen signaalinkäsittelyn (DSP) kompensointimenetelmiä. Käytännön verkkosuunnittelijat käyttävät paljon aikaa näiden kilpailevien vaatimusten tasapainottamiseen, kun he rakentavat järjestelmiä, jotka täytyy skaalata ja sopeuttaa markkinoiden ajan myötä tuomiin vaatimuksiin.
Kriittiset komponentit, jotka mahdollistavat nykyaikaisten optisten lähetin-vastaanottimien toiminnan
Laserdiodit, valodetektorit ja digitaaliset signaalinkäsittelijät (DSP): nopeuden ja tarkkuuden mahdollistajat
Nykyiset optiset lähetin-vastaanottimet perustuvat kolmen pääosan yhteistoimintaan: laserdiodit, valokäyttäjät ja nuo hienot digitaaliset signaalinkäsittelijät, joita kutsutaan DSP:ksi. Laserdiodit tuottavat vakaita ja nopeita optisia signaaleja, yleensä joko jakautuneen takaisinkytkennän (DFB) teknologian tai uudemman piisilikonfotonisen ratkaisun avulla, mikä auttaa minimoimaan signaalihäviön tiedonsiirrossa optisissa kuiduissa. Valokäyttäjien osalta useimmat järjestelmät käyttävät PIN- tai avalanchetyyppisiä komponentteja muuntaakseen saapuvan valon selkeiksi sähköisiksi signaaleiksi. Nämä käyttäjät täytyy olla erinomaisen herkkiä ja samalla pitää kohina tasolla alhaisena, jotta tiedot säilyvät ehjinä. DSP:t puolestaan suorittavat taustalla monia monimutkaisia tehtäviä, kuten signaalien reaaliaikaista tasoitusta, kellonajan palauttamista ja FEC-korjausten dekoodaamista, jotta mahdolliset siirron aikana syntyneet virheet voidaan korjata. Kaikki nämä komponentit toimivat yhdessä saavuttaakseen hämmästyttävän alhaiset bittivirheellisyysasteikot, jotka ovat alle 1E–15, jopa yli 100 kilometrin etäisyyksillä. Älkäämme myöskään unohtako deterministisiä viivettävaatimuksia, jotka tekevät näistä järjestelmistä välttämättömiä nykyaikaisten hyperskaalaisien tietokeskusten käynnistämiseen ja kasvavan 5G-verkon infrastruktuurin tukemiseen.
400 G+ -tehokkuushaaste: Tehon, lämmön ja kaistanleveyden tasapainottaminen
400 G:n kynnystasoa ylittyessä syntyy vakavia ongelmia lämmön ja tehonkulutuksen kanssa. Aina kun datan siirtotahdissa tapahtuu kaksinkertaistuminen, tehon tarve nousee noin 60–70 prosenttia, mikä lisää lämpöä tiukkenevien kytkinporttien sisällä. Jos tätä ylimääräistä lämpöä ei hallita, signaalit vääristyvät, komponentit kuluvat nopeammin ja järjestelmän luotettavuus heikkenee lopulta. Teollisuus on kehittänyt useita lähestymistapoja näiden ongelmien ratkaisemiseksi. Joissakin valmistajien tuotteissa käytetään mikrokanava-jäähdytyspohjia, toisissa taas toteutetaan sopeutuvia virtahallintajärjestelmiä, jotka voivat vähentää energiankulutusta noin 30 prosenttia liikenteen ollessa vähäistä. Lisäksi piifotonisten teknologioiden käyttö on kasvussa: ne lyhentävät komponenttien välisiä pitkiä sähköisiä yhteyksiä, mikä vähentää sekä signaalihäviöitä että lämmön tuotantoa. Materiaalitasolla myös tapahtuu parannuksia: indium-fosfidista valmistetut laserit ovat paremmin hyötysuhteeltaan kuin perinteiset vaihtoehdot. Kaikki nämä edistysaskeleet tarkoittavat, että nykyaikaisten lähetin-vastaanottimien (transceiverien) voidaan käsitellä jopa 400 wattiin rakkoyksikköä kohden samalla kun niiden sisäinen lämpötila pysyy alle 50 asteen Celsius-asteikolla – tämä vastaa IEEE:n ja OIF:n määrittelemiä lämpöstandardeja jatkuvaa korkean nopeuden toimintaa varten.
Muotokoot ja standardit: optisten lähetin-vastaanottimien sovittaminen infrastruktuurin tarpeisiin
Oikean muotokoon valitseminen varmistaa optimaalisen porttiyvän, lämmönhallinnan ja yhteensopivuuden kehittyvän infrastruktuurin kanssa. Standardoidut mekaaniset ja sähköiset liittimet – SFP:stä QSFP-DD:hen – mahdollistavat käyttövalmiin yhteensopivuuden ja tukevat vaiheittaista kaistanleveyden parantamista ilman koko järjestelmän uudelleenrakentamista.
SFP, QSFP, OSFP ja QSFP-DD – tiukkuuden ja nopeuden skaalaus 1 G:sta 800 G:hen
SFP-moduulit ovat erinomaisia nopeuksien toimittajina 1 G:sta 10 G:aan tiukkojen muotokokojen avulla, mikä tekee niistä hyvän valinnan reititysverkkojen reunalla ja käyttöpisteissä, joissa tila on tärkeää. Sitten meillä on QSFP-versiot, jotka pakkaavat neljä tiedonsiirtolinjaa yhteen, mikä tekee niistä sopivia nopeuksien tukemiseen jopa 100 G:aan saakka tiukkoihin kytkimiin, joita käytetään laajalti nykyaikaisissa pilvipalveluiden tietokeskuksissa. Tulevaisuuden näkökulmasta sekä OSFP- että QSFP-DD-muodot voivat käsittää valtavia kaistanleveyksiä 400 G:sta jopa 800 G:aan kiitos kahdeksan linjan arkkitehtuurinsa sekä paremmat lämmönhallintaratkaisunsa. Nämä uudet suunnittelut tuplaavat itse asiassa porttien määrän rakenneyksikköä kohden verrattuna vanhaan QSFP28-standardiin. Viimeisimmän OFC 2023 -konferenssin tulosten mukaan tämä kehitys on vähentänyt tehonkulutusta gigabittejä kohden noin 30 %:lla, mikä tekee yritysten päivityksestä olemassa olevasta 100 G:n infrastruktuurista näihin teräväreunoisiin 800 G:n järjestelmiin huomattavasti helpompaa – erityisesti tekoälyyn ja koneoppimiseen suunnattujen työmäärien vaatimuksiin optimoituja järjestelmiä.
SR, LR, ER, ZR, DR, FR: Tulkintaan käytettävissä olevia kantavuusstandardeja todellisiin käyttötilanteisiin
Kantavuusluokittelut auttavat määrittämään, mitä eri kuitutyypeistä voidaan odottaa eri etäisyyksillä. Lyhyen kantavuuden (SR) luokka soveltuu etäisyyksiin alle 300 metriä käyttäen monitilaista kuitua, jota käytetään yleensä laitteiden yhdistämiseen samoissa rakoissa tai kampuksien välillä. Pitkän kantavuuden (LR) luokka mahdollistaa yhteydet jopa 10 kilometrin päässä yksitilaisen kuidun avulla, mikä tekee siitä ideaalin kaupunkilaajuisiin verkkorakenteluihin. Laajennetun kantavuuden (ER) luokka ulottuu vielä pidemmälle, noin 40 kilometrin päähän, kun taas pitkän matkan (ZR) luokka ulottuu jopa 80 kilometrin päähän. Nämä pidemmät kantavuudet vaativat voimakkaampia laserlaitteita ja parempia virhekorjaustekniikoita, jotta ne toimisivat asianmukaisesti tukiverkoissa ja merenalaisissa kaapeleissa. Viime aikoina datakeskuksen kantavuus (DR) ja kuidun kantavuus (FR) ovat nousseet erikoistuneina luokkina nykyaikaisiin datakeskuksiin. DR kattaa tyypillisesti 500 metrin yhteydet palvelimien välillä spine-leaf-arkkitehtuurissa, kun taas FR tarjoaa standardoidut määrittelyt, jotka toimivat eri kuitutyypeillä IEEE 802.3 -ohjeiden mukaisesti, varmistaen yhteensopivuuden eri valmistajien laitteiden välillä.
