EN
Chức năng cốt lõi của bộ thu phát quang trong các mạng tốc độ cao
Chuyển đổi điện–quang và duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu
Các bộ thu phát quang đóng vai trò trung gian giữa các thiết bị mạng điện và những sợi thủy tinh mỏng mà chúng ta gọi là cáp quang. Những thiết bị nhỏ bé nhưng mạnh mẽ này nhận tín hiệu điện và chuyển đổi chúng thành các xung ánh sáng thực tế thông qua đi-ốt laser, sau đó đảo ngược toàn bộ quá trình ở đầu kia, nơi các bộ dò quang thu nhận ánh sáng và chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện. Con đường hai chiều này cho phép chúng ta truyền một lượng dữ liệu khổng lồ qua các mạng cáp quang với tốc độ đáng kinh ngạc. Việc giữ cho các tín hiệu luôn sạch và nguyên vẹn là vô cùng quan trọng. Vì vậy, các nhà sản xuất dựa vào những kỹ thuật tiên tiến như điều chế PAM4 kết hợp với Bộ xử lý tín hiệu số (DSP). Các công nghệ này chống lại các hiện tượng như sự lan rộng tín hiệu (tán sắc), suy hao tín hiệu (suy giảm) và mọi loại hiệu ứng phi tuyến kỳ lạ khác có thể làm gián đoạn quá trình truyền dẫn. Ngay cả ở tốc độ cực cao như 400G và vượt xa hơn nữa, các hệ thống này vẫn duy trì tỷ lệ lỗi bit gần như bằng không. Hãy tưởng tượng trung tâm dữ liệu và các hoạt động trí tuệ nhân tạo (AI) của chúng ta sẽ ra sao nếu thiếu loại kỹ thuật điện – quang chính xác đến thế. Chúng ta sẽ phải chờ đợi vô tận để hoàn tất những lần truyền dữ liệu lớn.
Cách Bước Sóng, Tốc Độ Dữ Liệu và Khoảng Cách Tương Tác với Nhau để Xác Định Hiệu Năng
Hiệu năng và khả thi của việc triển khai các bộ thu-phát thực chất phụ thuộc vào ba yếu tố then chốt hoạt động đồng thời: bước sóng, tốc độ dữ liệu và khoảng cách. Khi lựa chọn bước sóng, tính tương thích với các loại cáp quang là yếu tố rất quan trọng. Đối với các khoảng cách ngắn, bước sóng 850 nm thường được sử dụng cùng với cáp quang đa mode, hỗ trợ các ứng dụng như truyền dữ liệu 100G trong phạm vi khoảng 100 mét. Tuy nhiên, đối với các khoảng cách dài hơn, kỹ sư sẽ chuyển sang dùng bước sóng 1550 nm kết hợp với cáp quang đơn mode, cho phép truyền tín hiệu 400G trên khoảng cách lên tới khoảng 2 kilômét. Khi tốc độ dữ liệu tăng từ 400G lên tới 800G, việc áp dụng hoặc quang học đồng pha (coherent optics) hoặc các kỹ thuật điều chế PAM4 tiên tiến là điều không thể tránh khỏi. Tuy nhiên, điều này đi kèm với chi phí gia tăng: mức tiêu thụ điện năng cao hơn và độ nhạy cao hơn đối với các vấn đề phát sinh trên đường truyền. Yếu tố khoảng cách cũng đặt ra những giới hạn khá nghiêm ngặt. Hầu hết các kết nối 80 km đều đạt giới hạn tối đa ở mức 200G do ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc chromatic và mức nhiễu giảm mạnh. Ngược lại, các kết nối ngắn hơn (10 km) thực tế có thể xử lý tốc độ 800G nếu áp dụng đúng các phương pháp sửa lỗi tiến (FEC) và bù tín hiệu bằng xử lý tín hiệu số (DSP). Các nhà thiết kế mạng trong thực tế dành rất nhiều thời gian để cân bằng những yêu cầu cạnh tranh này khi xây dựng các hệ thống cần có khả năng mở rộng và thích nghi linh hoạt với những thay đổi mà thị trường đặt ra theo thời gian.
Các Thành Phần Trọng Yếu Đẩy Mạnh Bộ Thu Phát Quang Hiện Đại
Điốt Laser, Bộ Dò Quang và Bộ Xử Lý Tín Hiệu Kỹ Thuật Số (DSP): Đảm Bảo Tốc Độ và Độ Chính Xác
Các bộ thu phát quang hiện đại phụ thuộc vào sự phối hợp của ba thành phần chính: đi-ốt laser, bộ dò quang và các Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) tiên tiến. Các đi-ốt laser tạo ra những tín hiệu quang ổn định và tốc độ cao, thường thông qua công nghệ phản hồi phân bố (distributed feedback) hoặc các cấu hình quang tích hợp trên silicon (silicon photonics) mới hơn — giúp giảm thiểu tổn hao tín hiệu khi truyền dữ liệu qua cáp sợi quang. Về bộ dò quang, hầu hết các hệ thống đều sử dụng loại PIN hoặc loại avalanche để chuyển đổi lại ánh sáng đầu vào thành các tín hiệu điện rõ ràng. Những bộ dò này cần có độ nhạy cao và đồng thời giữ mức nhiễu ở mức thấp để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu. Tiếp theo là các DSP thực hiện nhiều tác vụ phức tạp phía sau hậu trường, như cân bằng tín hiệu theo thời gian thực, khôi phục đồng bộ xung nhịp và giải mã các sửa lỗi FEC nhằm khắc phục mọi sự cố xảy ra trong quá trình truyền tải. Tất cả các thành phần này phối hợp ăn ý với nhau để đạt được tỷ lệ lỗi bit tuyệt vời dưới mức 1E-15, ngay cả trên khoảng cách vượt quá 100 km. Và cũng đừng quên yêu cầu về độ trễ xác định (deterministic latency), vốn khiến những hệ thống này trở nên thiết yếu cho việc vận hành các trung tâm dữ liệu quy mô siêu lớn hiện đại và hỗ trợ cơ sở hạ tầng mạng 5G ngày càng mở rộng.
Thử thách Hiệu suất 400G+: Cân bằng giữa Công suất, Nhiệt lượng và Băng thông
Việc vượt ngưỡng 400G gây ra những vấn đề nghiêm trọng liên quan đến nhiệt lượng và mức tiêu thụ điện năng. Mỗi khi tốc độ truyền dữ liệu tăng gấp đôi, nhu cầu công suất tăng khoảng 60–70%, dẫn đến việc tích tụ nhiều nhiệt hơn tại các cổng chuyển mạch được bố trí dày đặc. Nếu không kiểm soát, lượng nhiệt dư thừa này sẽ làm méo tín hiệu, khiến các linh kiện hao mòn nhanh hơn và cuối cùng làm giảm độ tin cậy của toàn bộ hệ thống. Ngành công nghiệp đã đưa ra một số giải pháp nhằm giải quyết những vấn đề này. Một số nhà sản xuất tích hợp tản nhiệt vi kênh (micro-channel heatsinks), số khác triển khai các hệ thống quản lý điện năng thích ứng có khả năng giảm mức tiêu thụ năng lượng khoảng 30% khi lưu lượng mạng thấp. Ngoài ra, công nghệ quang tử silicon (silicon photonics) cũng đang ngày càng được áp dụng rộng rãi hơn, nhờ đó rút ngắn khoảng cách truyền dẫn điện dài giữa các thành phần, đồng thời giảm tổn hao tín hiệu và sinh nhiệt. Về mặt vật liệu, cũng đang có những cải tiến đáng kể: các laser làm từ indium phosphide đạt hiệu suất chuyển đổi điện–quang (wall plug efficiency) cao hơn so với các lựa chọn truyền thống. Tất cả những tiến bộ này giúp các bộ thu phát hiện đại có thể xử lý công suất lên tới 400 watt trên mỗi đơn vị rack (rack unit), đồng thời duy trì nhiệt độ bên trong dưới 50 độ Celsius — đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn nhiệt do IEEE và OIF quy định cho hoạt động tốc độ cao liên tục.
Các dạng thức và tiêu chuẩn: Phù hợp hóa bộ thu phát quang với nhu cầu cơ sở hạ tầng
Việc lựa chọn đúng dạng thức giúp đảm bảo mật độ cổng tối ưu, quản lý nhiệt hiệu quả và khả năng tương tác giữa các thành phần trong cơ sở hạ tầng đang không ngừng phát triển. Các giao diện cơ học và điện được chuẩn hóa — từ SFP đến QSFP-DD — cho phép khả năng tương thích 'cắm vào là chạy' đồng thời hỗ trợ nâng cấp băng thông theo từng bước mà không cần thay thế toàn bộ hệ thống.
SFP, QSFP, OSFP và QSFP-DD — Mở rộng mật độ và tốc độ từ 1G lên đến 800G
Các mô-đun SFP rất tuyệt vời trong việc cung cấp tốc độ từ 1G đến 10G dưới dạng nhân tố hình thức nhỏ gọn, phù hợp cho mạng biên và các điểm truy cập—những nơi mà không gian lắp đặt là yếu tố quan trọng. Tiếp theo là các phiên bản QSFP, tích hợp bốn kênh truyền dữ liệu vào một mô-đun, do đó thích hợp để hỗ trợ tốc độ lên đến 100G trên các bộ chuyển mạch có mật độ cao phổ biến trong hầu hết các trung tâm dữ liệu điện toán đám mây hiện đại. Nhìn về tương lai, cả hai định dạng OSFP và QSFP-DD đều có khả năng đáp ứng nhu cầu băng thông khổng lồ từ 400G lên tới 800G nhờ kiến trúc tám kênh cùng các giải pháp quản lý nhiệt hiệu quả hơn. Các thiết kế mới này thực tế đã tăng gấp đôi số lượng cổng trên mỗi đơn vị rack so với chuẩn QSFP28 cũ hơn. Theo kết quả nghiên cứu gần đây tại hội nghị OFC 2023, sự tiến triển này đã giúp giảm mức tiêu thụ công suất trên mỗi gigabit khoảng 30%, từ đó tạo điều kiện thuận lợi hơn cho các doanh nghiệp nâng cấp từ hạ tầng 100G hiện có lên các hệ thống tiên tiến 800G được tối ưu hóa đặc biệt cho các khối công việc liên quan đến trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML).
SR, LR, ER, ZR, DR, FR: Giải mã các tiêu chuẩn về tầm hoạt động cho triển khai thực tế
Các phân loại khoảng cách truyền giúp xác định những gì chúng ta có thể kỳ vọng từ các loại sợi quang khác nhau ở các khoảng cách khác nhau. Khoảng cách ngắn (SR) hoạt động hiệu quả trong phạm vi dưới 300 mét sử dụng sợi quang đa mode, thường được dùng để kết nối thiết bị trong cùng một tủ rack hoặc giữa các tòa nhà trong khuôn viên trường/campus. Khoảng cách dài (LR) đạt xa hơn, hỗ trợ kết nối lên đến 10 km thông qua sợi quang đơn mode, do đó rất phù hợp cho các hệ thống mạng quy mô thành phố. Khoảng cách mở rộng (ER) vươn xa hơn nữa, lên tới khoảng 40 km, trong khi Khoảng cách đường dài (ZR) có thể kéo dài tới 80 km. Các khoảng cách truyền xa hơn này đòi hỏi các laser mạnh hơn và các kỹ thuật sửa lỗi hiệu quả hơn để vận hành ổn định trong các mạng lõi (backbone networks) cũng như cáp biển. Gần đây hơn, Khoảng cách trung tâm dữ liệu (DR) và Khoảng cách sợi quang (FR) đã xuất hiện như những danh mục chuyên biệt dành riêng cho các trung tâm dữ liệu hiện đại. DR thường bao phủ các liên kết dài 500 mét giữa các máy chủ trong kiến trúc spine-leaf, trong khi FR cung cấp các đặc tả tiêu chuẩn hoạt động trên nhiều loại sợi quang khác nhau theo hướng dẫn của IEEE 802.3, đảm bảo khả năng tương thích giữa thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau.
