EN
Основна функція оптичних трансиверів у високошвидкісних мережах
Перетворення електричного сигналу на оптичний та збереження цілісності сигналу
Оптичні трансивери виступають посередниками між електричними мережевими пристроями та тонкими нитками скла, які ми називаємо оптичними волокнами. Ці маленькі трудівники перетворюють електричні сигнали на імпульси світла за допомогою лазерних діодів, а потім здійснюють зворотний процес на іншому кінці, де фотодетектори сприймають світло й знову перетворюють його на електричні сигнали. Такий двосторонній обмін дозволяє передавати величезні обсяги даних через волоконно-оптичні мережі з надзвичайно високою швидкістю. Збереження чистоти та цілісності цих сигналів має вирішальне значення. Саме тому виробники покладаються на передові технології, такі як модуляція PAM4 у поєднанні з цифровими процесорами сигналів. Ці технології борються з такими явищами, як розтягнення сигналу (дисперсія), ослаблення сигналу (затухання) та різноманітні нелінійні ефекти, що можуть порушити передачу. Навіть при надзвичайно високих швидкостях 400 Гбіт/с і вище ці системи забезпечують практично нульову частоту помилок у бітах. Уявіть собі, як виглядали б наші центри обробки даних і AI-системи без такої точної електро-оптичної інженерії: нам довелося б вічно чекати завершення великих передач даних.
Як довжина хвилі, швидкість передачі даних і відстань взаємодіють, щоб визначити продуктивність
Ефективність та технічна реалізованість розгортання передавачів-приймачів залежать від трьох ключових взаємопов’язаних факторів: довжини хвилі, швидкості передачі даних і відстані. Під час вибору довжини хвилі важливе значення має сумісність із типами оптичного волокна. Для коротких відстаней найчастіше використовується довжина хвилі 850 нм разом із багатомодовим волокном, що забезпечує передачу сигналів зі швидкістю 100G на відстані до приблизно 100 метрів. Однак для більш тривалих ліній зв’язку інженери застосовують довжину хвилі 1550 нм разом із одномодовим волокном, яке дозволяє передавати сигнали зі швидкістю 400G на відстані до приблизно 2 кілометрів. У міру зростання швидкості передачі даних від 400G до 800G неминуче виникає необхідність у використанні або когерентної оптики, або передових методів сигнальзації PAM4. Проте це має й свої недоліки: зростання енергоспоживання та підвищена чутливість до проблем у каналі передачі. Фактор відстані також встановлює досить жорсткі обмеження. Більшість з’єднань на відстань 80 км мають максимальну швидкість 200G через проблеми, пов’язані з хроматичною дисперсією та зниженням рівня шуму. Натомість короткі лінії зв’язку на 10 км можуть фактично забезпечувати швидкість 800G за умови застосування відповідних методів корекції помилок у прямому напрямку (FEC) та компенсації цифровою обробкою сигналів (DSP). На практиці проектувальники мереж витрачають чимало часу на пошук балансу між цими суперечливими вимогами під час створення систем, які повинні масштабуватися й адаптуватися до змін, що виникають на ринку з часом.
Ключові компоненти, що забезпечують роботу сучасних оптичних трансиверів
Лазерні діоди, фотодетектори та процесори цифрової обробки сигналів (DSP): забезпечення швидкості й точності
Сучасні оптичні трансивери залежать від трьох основних компонентів, які працюють у взаємодії: лазерних діодів, фотодетекторів та потужних цифрових процесорів сигналів (DSP). Лазерні діоди генерують стабільні й швидкі оптичні сигнали, зазвичай за допомогою технології розподіленого зворотного зв’язку або новіших рішень на основі кремнієвої фотоніки, що забезпечує мінімальні втрати сигналу під час передачі даних по оптичних волокнах. Щодо фотодетекторів, більшість систем використовує або PIN-, або лавинні типи для перетворення вхідного світла назад у чіткі електричні сигнали. Ці детектори повинні мати високу швидкодію й низький рівень шумів, щоб зберегти цілісність даних. У свою чергу, DSP виконують різноманітні складні завдання «за кulisами»: адаптивну корекцію сигналів у реальному часі, відновлення тактової частоти та декодування корекцій FEC для усунення будь-яких помилок, що виникають під час передачі. Усі ці компоненти працюють у тісній взаємодії, забезпечуючи надзвичайно низькі рівні бітових помилок — менше 1E–15 — навіть на відстанях понад 100 кілометрів. І не варто забувати про вимоги до детермінованої затримки, що роблять такі системи обов’язковими для функціонування сучасних гіпермасштабних центрів обробки даних і підтримки нашої швидко розширюваної інфраструктури мереж 5G.
Виклик 400G+ щодо ефективності: балансування потужності, тепловиділення та пропускної здатності
Перевищення порогу в 400 Гб/с призводить до серйозних проблем із нагріванням та енергоспоживанням. Щоразу, коли швидкість передачі даних збільшується вдвічі, вимоги до енергоспоживання зростають приблизно на 60–70 %, що призводить до більшого виділення тепла в щільно розташованих портах комутаторів. Якщо це явище залишити без контролю, надлишкове тепло спричиняє спотворення сигналів, прискорює знос компонентів і, в кінцевому підсумку, знижує надійність системи. Промисловість розробила кілька підходів для вирішення цих проблем. Деякі виробники інтегрують мікроканальні радіатори, інші реалізують адаптивні системи управління живленням, які можуть зменшувати енергоспоживання приблизно на 30 % під час низького навантаження мережі. Також зростає використання технології кремнієвої фотоніки, що скорочує довжину електричних з’єднань між компонентами, зменшуючи одночасно втрати сигналу й виділення тепла. Щодо матеріалів — також спостерігаються покращення. Лазери на основі фосфіду індію мають вищу ефективність перетворення електроенергії на оптичну (wall plug efficiency) порівняно з традиційними рішеннями. Усі ці досягнення означають, що сучасні трансивери можуть обробляти потужність до 400 Вт на одиницю стійки, одночасно підтримуючи внутрішню температуру нижче 50 °C — це відповідає тепловим стандартам IEEE та OIF для безперервної роботи на високих швидкостях.
Форм-фактори та стандарти: відповідність оптичних трансиверів потребам інфраструктури
Правильний вибір форм-фактора забезпечує оптимальну щільність портів, ефективне теплове керування та взаємодію в умовах постійно розвиваються інфраструктурних рішень. Стандартизовані механічні та електричні інтерфейси — від SFP до QSFP-DD — забезпечують сумісність «plug-and-play» і підтримують поступове збільшення пропускної здатності без повної модернізації системи.
SFP, QSFP, OSFP та QSFP-DD — масштабування щільності та швидкості від 1 Гбіт/с до 800 Гбіт/с
Модулі SFP чудово підходять для забезпечення швидкостей від 1 Гбіт/с до 10 Гбіт/с у компактних корпусах, що добре працюють у граничних мережах та точках доступу, де важливе економлення місця. Далі йдуть версії QSFP, які об’єднують чотири канали, роблячи їх придатними для підтримки швидкостей до 100 Гбіт/с у щільно упакованих комутаторах, що використовуються в більшості сучасних хмарних центрів обробки даних. Щодо майбутнього, формати OSFP та QSFP-DD здатні задовольняти масштабні вимоги до пропускної здатності — від 400 Гбіт/с до навіть 800 Гбіт/с — завдяки своїй восьмиканальній архітектурі та покращеним рішенням для керування тепловиділенням. Ці новіші конструкції фактично подвоюють кількість портів на одиницю стійки порівняно зі старими стандартами QSFP28. Згідно з останніми даними, отриманими на конференції OFC 2023, такий прогрес дозволив знизити енергоспоживання на гігабіт приблизно на 30 %, що значно спрощує для компаній модернізацію існуючої інфраструктури 100 Гбіт/с до цих передових систем 800 Гбіт/с, спеціально оптимізованих для робочих навантажень у галузі штучного інтелекту та машинного навчання.
SR, LR, ER, ZR, DR, FR: розшифрування стандартів дальності для реальних умов експлуатації
Класифікації досяжності допомагають визначити, чого можна очікувати від різних типів оптичних волокон на різних відстанях. Коротка досяжність (SR) застосовується для відстаней менше 300 метрів із використанням багатомодового волокна, яке зазвичай використовується для з’єднання обладнання всередині стійок або між будівлями на території кампусу. Довга досяжність (LR) забезпечує з’єднання на відстані до 10 кілометрів за допомогою одномодового волокна й є ідеальним рішенням для мереж міського масштабу. Розширена досяжність (ER) дозволяє передавати дані на відстань близько 40 км, тоді як довгопрогонова досяжність (ZR) сягає 80 км. Для реалізації таких великих відстаней потрібні потужніші лазери й ефективніші методи корекції помилок, щоб забезпечити надійну роботу в магістральних мережах і підводних кабелях. Останнім часом у сучасних центрах обробки даних з’явилися спеціалізовані категорії — досяжність для центрів обробки даних (DR) та досяжність для волокна (FR). DR зазвичай охоплює з’єднання на відстані 500 метрів між серверами в архітектурі «спайн–лист» (spine–leaf), тоді як FR надає стандартизовані специфікації, сумісні з різними типами оптичного волокна відповідно до керівництва IEEE 802.3, забезпечуючи сумісність обладнання від різних виробників.
