EN
Yüksek Hızlı Ağlarda Optik Transceiver'lerin Temel İşlevi
Elektriksel-Optik Dönüşüm ve Sinyal Bütünlüğünün Korunması
Optik transceiver'lar, elektriksel ağ donanımı ile camdan yapılmış ince teller olan optik fiberler arasında köprü görevi görür. Bu küçük ama güçlü cihazlar, elektriksel sinyalleri lazer diyotlar aracılığıyla gerçek ışık darbelerine dönüştürür; ardından diğer uçta fotodetektörler ışığı yakalayıp tekrar elektriksel sinyallere çevirir. Bu çift yönlü iletişim sayesinde, veri miktarı çok büyük olsa bile fiber ağlar üzerinden inanılmaz hızlarda veri iletimi sağlanabilir. Sinyallerin temiz ve bütün kalması büyük önem taşır. Bu nedenle üreticiler, PAM4 modülasyonu gibi gelişmiş teknikleri ve Dijital Sinyal İşlemcileri (DSP) gibi özel donanımları kullanırlar. Bu teknolojiler, sinyalin yayılması (dağılma), sinyal kaybı (zayıflama) ve iletimi bozan çeşitli doğrusal olmayan etkiler gibi sorunlarla mücadele eder. Hatta 400 Gbps ve üzeri aşırı yüksek hızlarda bile bu sistemler bit hata oranını neredeyse sıfıra indirir. Böyle hassas elektro-optik mühendislik olmasaydı veri merkezlerimizin ve yapay zeka işlemlerimizin neye benzeyeceğini hayal edin: Büyük veri aktarımlarının tamamlanmasını sonsuza dek beklemek zorunda kalırdık.
Performansı Belirleyen Dalga Boyu, Veri Hızı ve Mesafe Etkileşimi
Verici-alıcıların performansı ve uygulanabilirliği, aslında birlikte çalışan üç temel faktöre bağlıdır: dalga boyu, veri hızı ve mesafe. Dalga boyu seçerken, kullanılan lif türleriyle uyumluluk büyük önem taşır. Daha kısa mesafeler için 850 nm genellikle çok modlu lif ile birlikte kullanılır ve yaklaşık 100 metrelik mesafede 100G gibi veri hızlarını destekler. Ancak daha uzun mesafelerde mühendisler, 400G sinyallerini yaklaşık 2 kilometreye kadar taşıyabilen tek modlu lif ile birlikte 1550 nm dalga boyuna yönelir. Veri hızları 400G’den 800G’ye kadar yükseldikçe, koherens optik sistemlerine veya gelişmiş PAM4 sinyal iletim tekniklerine başvurmak kaçınılmaz hâle gelir. Ancak bu durum, artan güç tüketimi ve iletim yoluyla ilgili sorunlara karşı daha fazla duyarlılık gibi maliyetlerle de ilişkilidir. Mesafe faktörü de oldukça sıkı sınırlar getirir. Kromatik dağılma ve gürültü seviyesinin düşmesi gibi sorunlar nedeniyle çoğu 80 km’lik bağlantı, 200G ile sınırlıdır. Buna karşılık, uygun ileri hata düzeltme (FEC) yöntemleri ve dijital sinyal işleme (DSP) kompanzasyonu uygulandığında, daha kısa 10 km’lik bağlantılar aslında 800G hızlarını da destekleyebilir. Gerçek dünyada ağ tasarımı yapan uzmanlar, sistemleri zaman içinde ölçeklenebilir ve piyasa koşullarına uyum sağlayabilir hâle getirmek amacıyla bu birbirleriyle çatışan gereksinimleri dengelemek için yoğun çaba harcar.
Modern Optik Transceiver'ları Güçlendiren Kritik Bileşenler
Lazer Diyotlar, Foto Dedektörler ve DSP'ler: Hız ve Doğruluk Sağlamak
Günümüzün optik transceiver'ları, birlikte çalışan üç ana bileşene dayanır: lazer diyotlar, fotodedektörler ve bizim DSP olarak adlandırdığımız gelişmiş Dijital İşaret İşlemcileri. Lazer diyotlar, verinin fiber kablolar üzerinden iletilmesi sırasında sinyal kaybını en aza indirmeye yardımcı olan dağıtılmış geribesleme teknolojisi ya da daha yeni silikon fotonik yapılar aracılığıyla kararlı ve yüksek hızlı optik sinyaller üretir. Fotodedektörler konusunda çoğu sistem, gelen ışığı tekrar net elektriksel sinyallere dönüştürmek için PIN veya çığ (avalanche) tipi dedektörleri kullanır. Bu dedektörlerin veriyi bütünlüğüyle korumak amacıyla çok hızlı tepki vermeleri ve aynı zamanda gürültü seviyelerini düşük tutmaları gerekir. Ardından, gerçek zamanlı olarak sinyalleri eşitleme, saat senkronizasyonunu geri kazanma ve iletim sırasında ortaya çıkan sorunları düzeltmek için FEC (İleri Hata Düzeltmesi) kodlarını çözme gibi pek çok karmaşık görevi sessizce yürüten DSP’ler gelir. Tüm bu bileşenler, 100 kilometreden fazla mesafelerde bile inanılmaz derecede düşük olan 1E-15’ten daha iyi bit hata oranlarına ulaşmak için el ele çalışır. Ayrıca, bu sistemleri modern hiperscale veri merkezlerinin çalıştırılmasında ve büyüyen 5G ağ altyapımızın desteklenmesinde vazgeçilmez kılan belirleyici gecikme (deterministik latency) gereksinimlerini de unutmamak gerekir.
400G+ Verimlilik Zorluğu: Güç, Isı ve Bant Genişliği Arasında Denge Kurmak
400 G sınırını aşmak, ısı ve güç tüketimiyle ilgili ciddi sorunlara neden olur. Veri hızları her iki katına çıktığında güç gereksinimi yaklaşık %60 ila %70 oranında artar; bu da yoğun şekilde yerleştirilmiş anahtar bağlantı noktalarına daha fazla ısı yükler. Bu fazladan ısı kontrolsüz bırakılırsa sinyallerin bozulmasına, bileşenlerin daha hızlı aşınmasına ve sonunda sistemin güvenilirliğinin düşmesine neden olur. Sektör, bu sorunları ele almak için birkaç yaklaşım geliştirmiştir. Bazı üreticiler mikro-kanallı ısı emicileri entegre ederken, diğerleri trafik hafif olduğunda enerji kullanımını yaklaşık %30 oranında azaltabilen uyarlamalı güç yönetim sistemleri uygular. Ayrıca bileşenler arasındaki uzun elektriksel bağlantıları kısaltan, hem sinyal kaybını hem de ısı üretimini azaltan silisyum fotonik teknolojisinin benimsenmesi de giderek yaygınlaşmaktadır. Malzemeler alanında da iyileştirmeler yaşanmaktadır. Geleneksel seçeneklere kıyasla indiyum fosfitten üretilen lazerler, duvar prizi verimliliği açısından daha üstün performans göstermektedir. Tüm bu gelişmeler, modern transceiver’ların raf birimi başına maksimum 400 watt güç tüketimini karşılayabilmesini ve iç sıcaklıklarını 50 °C’nin altında tutabilmesini sağlamaktadır; bu durum, IEEE ve OIF tarafından sürekli yüksek hızlı işlemler için belirlenen termal standartları karşılamaktadır.
Biçim Faktörleri ve Standartlar: Optik Transceiver'ları Altyapı İhtiyaçlarına Uydurma
Doğru biçim faktörünü seçmek, bağlantı noktası yoğunluğunu, ısı yönetimini ve gelişen altyapı genelinde birlikte çalışabilirliği en iyi düzeyde sağlar. SFP’den QSFP-DD’ye kadar standartlaştırılmış mekanik ve elektriksel arayüzler, tam sistem yenilemelerine gerek kalmadan ilerleyici bant genişliği yükseltmelerini desteklerken tak-ve-çalıştır uyumluluğu sağlar.
SFP, QSFP, OSFP ve QSFP-DD — 1G’den 800G’ye Kadar Yoğunluk ve Hız Ölçeklendirmesi
SFP modülleri, kenar ağları ve alan sınırlamalarının önemli olduğu erişim noktalarında 1G ile 10G arası hızlarda veri iletimi sağlamak için kompakt form faktörleriyle mükemmel bir çözüm sunar. Daha sonra dört veri kanalını bir araya getiren QSFP sürümleri gelir; bu modüller, günümüzün çoğu modern bulut veri merkezinde yaygın olarak kullanılan yoğun portlu anahtarlarla uyumlu olarak 100G’ye kadar hızları destekler. Geleceğe baktığımızda, OSFP ve QSFP-DD formatlarının sekiz kanallı mimarileri ile gelişmiş ısı yönetimi çözümleri sayesinde 400G ila hatta 800G gibi devasa bant genişliği gereksinimleri karşılanabilmektedir. Bu yeni tasarım, daha eski QSFP28 standartlarına kıyasla raf birimi başına bağlantı noktası sayısını iki katına çıkarmaktadır. OFC 2023’te yapılan son araştırmalara göre, bu teknolojik ilerleme, gigabit başına güç tüketimini yaklaşık %30 oranında azaltmayı başarmıştır; bu da şirketlerin mevcut 100G altyapılarından yapay zekâ ve makine öğrenimi iş yüklerine özel olarak optimize edilmiş bu ileri düzey 800G sistemlerine geçişini önemli ölçüde kolaylaştırmaktadır.
SR, LR, ER, ZR, DR, FR: Gerçek Dünya Uygulamaları İçin Erişim Standartlarını Çözümleme
Erişim sınıflandırmaları, farklı fiber türlerinden çeşitli mesafelerde ne bekleyebileceğimizi belirlememize yardımcı olur. Kısa Erişim (SR), çoğunlukla raf içindeki cihazlar arasında veya kampüs çapında bağlantılar kurmak için kullanılan çok modlu fiber ile 300 metreden kısa mesafeler için uygundur. Uzun Erişim (LR), tek modlu fiber üzerinden 10 kilometreye kadar bağlantıları destekleyerek daha uzak mesafelere ulaşır ve bu nedenle şehir çaplı ağ yapılandırmaları için idealdir. Genişletilmiş Erişim (ER), mesafeyi yaklaşık 40 km’ye kadar çıkarırken, Uzun Menzilli (ZR) erişim ise tam olarak 80 km’ye kadar uzanır. Bu daha uzun erişim mesafeleri, ana hat ağlarında ve denizaltı kablolarında doğru çalışabilmeleri için daha güçlü lazerler ile daha gelişmiş hata düzeltme teknikleri gerektirir. Daha yakın zamanda, modern veri merkezleri için özel olarak geliştirilen Veri Merkezi Erişimi (DR) ve Fiber Erişimi (FR) kategorileri ortaya çıkmıştır. DR, genellikle omurga-yaprak (spine-leaf) mimarisindeki sunucular arasındaki 500 metrelik bağlantıları kapsar; buna karşılık FR, IEEE 802.3 yönergelerine göre farklı fiber türleriyle uyumlu standartlaştırılmış özellikler sunar ve böylece farklı üreticilere ait cihazlar arasında uyumluluğu sağlar.
