EN
Основная функция оптических трансиверов в высокоскоростных сетях
Преобразование электрического сигнала в оптический и сохранение целостности сигнала
Оптические трансиверы выступают в роли посредников между электрическим сетевым оборудованием и тонкими стеклянными нитями, которые мы называем оптическими волокнами. Эти небольшие, но мощные устройства преобразуют электрические сигналы в импульсы света с помощью лазерных диодов, а на противоположном конце процесс полностью обратен: фотодетекторы улавливают свет и снова преобразуют его в электрические сигналы. Такая двусторонняя связь позволяет передавать огромные объёмы данных по волоконно-оптическим сетям с невероятной скоростью. Сохранение чистоты и целостности сигналов имеет первостепенное значение. Именно поэтому производители полагаются на передовые технологии, такие как модуляция PAM4 в паре с цифровыми сигнальными процессорами (DSP). Эти решения борются с такими явлениями, как расширение сигнала (дисперсия), ослабление сигнала (аттенюация) и различными нелинейными эффектами, способными нарушить передачу. Даже при сверхвысоких скоростях — 400 Гбит/с и выше — такие системы обеспечивают практически отсутствие ошибок при передаче битов. Представьте, как бы выглядели наши центры обработки данных и AI-системы без столь точной электрооптической инженерии: нам пришлось бы бесконечно ждать завершения передачи больших объёмов данных.
Как длина волны, скорость передачи данных и расстояние взаимодействуют для определения производительности
Эффективность и осуществимость развертывания трансиверов в конечном счете определяются тремя ключевыми взаимосвязанными факторами: длиной волны, скоростью передачи данных и расстоянием. При выборе длины волны важнейшее значение имеет совместимость с типами оптоволокна. Для коротких расстояний чаще всего используется длина волны 850 нм совместно с многомодовым волокном, что позволяет передавать сигналы со скоростью 100 Гбит/с на расстояние около 100 метров. Однако для более протяжённых линий инженеры переходят к длине волны 1550 нм и одномодовому волокну, способному передавать сигналы со скоростью 400 Гбит/с на расстояния до примерно 2 километров. По мере роста скоростей передачи данных — от 400 Гбит/с до 800 Гбит/с — неизбежно требуется применение либо когерентной оптики, либо передовых методов сигнализации PAM4. Однако это сопряжено с определёнными издержками: повышением энергопотребления и возросшей уязвимостью к помехам в канале передачи. Фактор расстояния также устанавливает весьма строгие ограничения. Большинство соединений на расстоянии 80 км имеют максимальную пропускную способность 200 Гбит/с из-за проблем, связанных с хроматической дисперсией и снижением уровней шума. Напротив, более короткие линии связи протяжённостью 10 км способны поддерживать скорость 800 Гбит/с при условии применения надлежащих методов коррекции ошибок в прямом направлении (FEC) и компенсации с помощью цифровой обработки сигналов (DSP). На практике проектировщики сетей тратят значительное время на балансирование этих противоречивых требований при создании систем, способных масштабироваться и адаптироваться к меняющимся рыночным условиям в течение длительного времени.
Критические компоненты, обеспечивающие работу современных оптических трансиверов
Лазерные диоды, фотодетекторы и цифровые сигнальные процессоры: обеспечение скорости и точности
Современные оптические трансиверы зависят от слаженной работы трёх основных компонентов: лазерных диодов, фотодетекторов и цифровых сигнальных процессоров (DSP), которые мы называем «умными». Лазерные диоды генерируют стабильные и высокоскоростные оптические сигналы, как правило, с использованием технологии распределённой обратной связи или более новых решений на основе кремниевой фотоники — это позволяет минимизировать потери сигнала при передаче данных по оптоволоконным кабелям. Что касается фотодетекторов, то в большинстве систем применяются либо PIN-диоды, либо лавинные фотодетекторы, преобразующие входящий свет в чёткие электрические сигналы. Эти детекторы должны обладать высокой скоростью отклика и одновременно обеспечивать низкий уровень шума, чтобы данные оставались неискажёнными. Цифровые сигнальные процессоры (DSP) выполняют за кулисами множество сложных задач: в реальном времени осуществляют эквализацию сигналов, восстанавливают тактовую частоту и декодируют коррекции FEC для устранения ошибок, возникающих в процессе передачи. Все эти компоненты работают в тесной координации, обеспечивая поразительно низкий уровень битовых ошибок — менее 1E–15 — даже на расстояниях свыше 100 километров. И, разумеется, нельзя забывать о требованиях к детерминированной задержке, что делает такие системы незаменимыми для функционирования современных гипермасштабных центров обработки данных и поддержки быстро растущей инфраструктуры сетей 5G.
Вызов эффективности 400 Гб+ : баланс между мощностью, тепловыделением и пропускной способностью
Превышение порога в 400 Гбит/с создаёт серьёзные проблемы, связанные с нагревом и энергопотреблением. Каждый раз, когда скорость передачи данных удваивается, потребление энергии возрастает примерно на 60–70 %, что приводит к увеличению тепловыделения в плотно упакованных портах коммутаторов. При отсутствии контроля избыточное тепло вызывает искажение сигналов, ускоряет износ компонентов и в конечном счёте снижает надёжность системы. Отрасль предложила несколько подходов для решения этих проблем. Некоторые производители интегрируют микроканальные радиаторы, другие внедряют адаптивные системы управления питанием, позволяющие сократить энергопотребление примерно на 30 % при низкой нагрузке трафика. Также наблюдается рост применения фотонных интегральных схем на кремниевой основе (silicon photonics), которые сокращают длину электрических соединений между компонентами, тем самым уменьшая как потери сигнала, так и тепловыделение. Что касается материалов, здесь также происходят улучшения: лазеры на основе фосфида индия обладают более высокой эффективностью преобразования электрической энергии в оптическую (wall plug efficiency) по сравнению с традиционными решениями. Все эти достижения позволяют современным трансиверам обеспечивать мощность до 400 Вт на единицу стойки (RU), одновременно поддерживая внутреннюю температуру ниже 50 °C — это соответствует термическим стандартам IEEE и OIF для непрерывной работы на высоких скоростях.
Форм-факторы и стандарты: соответствие оптических трансиверов потребностям инфраструктуры
Выбор правильного форм-фактора обеспечивает оптимальную плотность портов, эффективное тепловое управление и совместимость между компонентами в условиях постоянно развивающейся инфраструктуры. Стандартизированные механические и электрические интерфейсы — от SFP до QSFP-DD — обеспечивают совместимость «подключи и работай», одновременно поддерживая поэтапное увеличение пропускной способности без полной замены систем.
SFP, QSFP, OSFP и QSFP-DD — масштабирование плотности и скорости от 1 Гбит/с до 800 Гбит/с
Модули SFP отлично подходят для обеспечения скоростей от 1 Гбит/с до 10 Гбит/с в компактных форм-факторах, которые хорошо работают в сетях периферийных устройств и точках доступа, где важна экономия места. Затем идут версии QSFP, объединяющие четыре канала, что делает их пригодными для поддержки скоростей до 100 Гбит/с в плотно упакованных коммутаторах, широко применяемых в современных облачных центрах обработки данных. Что касается будущих решений, то форматы OSFP и QSFP-DD благодаря своей восьмиканальной архитектуре и улучшенным решениям теплового управления способны удовлетворять огромные требования к пропускной способности — от 400 Гбит/с до 800 Гбит/с. Эти новые конструкции фактически удваивают количество портов на одну юнит-рейку по сравнению со старыми стандартами QSFP28. Согласно недавним результатам конференции OFC 2023, такая эволюция позволила снизить энергопотребление на гигабит примерно на 30 %, что значительно упрощает компаниям модернизацию существующей инфраструктуры 100 Гбит/с до передовых систем 800 Гбит/с, специально оптимизированных для рабочих нагрузок в области искусственного интеллекта и машинного обучения.
SR, LR, ER, ZR, DR, FR: расшифровка стандартов дальности действия для реальных условий эксплуатации
Классификация дальности действия помогает определить, чего можно ожидать от различных типов волокна на разных расстояниях. Краткая дальность (SR) применяется для расстояний менее 300 метров с использованием многомодового волокна, которое часто используется для соединения оборудования внутри стоек или между зданиями в пределах кампуса. Дальняя дальность (LR) обеспечивает более длинные соединения — до 10 км по одномодовому волокну, что делает её идеальной для городских сетевых инфраструктур. Расширенная дальность (ER) позволяет передавать данные ещё дальше — примерно на 40 км, тогда как сверхдальняя дальность (ZR) достигает 80 км. Для таких больших расстояний требуются более мощные лазеры и усовершенствованные методы коррекции ошибок, чтобы обеспечить надёжную работу в магистральных сетях и подводных кабелях. В последнее время появились специализированные категории — дальность центра обработки данных (DR) и дальность волокна (FR), ориентированные на современные ЦОД. DR обычно охватывает каналы протяжённостью 500 метров между серверами в архитектуре «spine-leaf», тогда как FR определяет стандартизированные технические требования, совместимые с различными типами оптоволокна согласно руководящим принципам IEEE 802.3, гарантируя совместимость оборудования от разных производителей.
