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200G光模块中的两种并行技术比较

根据Google, Facebook等披露的数据,这些互联网巨头数据中心内部流量每年增长幅度接近100%, 当前一些较早部署100G的互联网巨头已经开始谋求更高速率的解决方案,下一代数据中心的方案选择成为了大家所热心关注的话题。

400G以太网的标准先于200G以太网标准完成,这或许反映了业界的心态——更看好400G, 或者说, 200G仅仅是400G的一个过渡方案。

但是直接从100G跨越到400G实际上是不太科学的。
首先从数据中心方面,我们需要重建超大规模的数据中心,定义新的规范架构, 400G时代交换机对机架电力的要求会相当高,传统的风冷散热也更为困难;再者, 400G数据中心会使用到PAM4技术,而采用PAM4技术会使系统变得不够透明且难以管理,传统的NRZ技术+并行技术可以使数据中心易于管理。

为更灵活地适应未来数据中心的需求,向400G数据中心实现完美过渡,易飞扬(Gigalight)于近日完成了基于200G NRZ传输的低成本数据中心内部平行光互连方案,本文主要比较了200G NRZ方案中的两种并行技术,并且以两款产品作为实例进行简单的分析。

光纤并行方案—选用单模还是多模?

传统的并行光模块产品主要基于多模光纤的光互连技术,具有高带宽、低损耗、无串扰和匹配及电磁兼容问题等优势,已逐渐取代基于铜线的电互联产品而应用于机柜间、板架间的高速互联,连接距离在OM3光纤下长达300米。

同时为了应用于更长距离的传输解决方案, PSM并行光模块也应运而生,主要使用FP激光器在单模光纤传输2km, DFB传输10km应用,这比多模互连技术更加具有难度。

数据中心布线是一个很复杂的问题,选择多模光纤还是单模光纤也一直是业界热烈讨论的对象,各大数据中心也有选择,比如100G时代, Facebook选择单模, Google选择多模和单模同时部署, BAT则选择多模。从成本角度,多模光纤价格昂贵而多模光模块便宜,单模光纤价格便宜而单模光模块较贵,因此很容易将光纤和光模块成本进行组合评估,得出距离和成本的关系。以100G方案为例,光纤距离在100米以内时多模解决方案的成本优势非常明显。

并行技术路线的特点是每一对多模光纤分别承载一路光信号。目前IEEE的400G SR16标准是16*25G并行方案,需要16对多模光纤,远远超过100G时代广泛使用的12芯MPO, 会导致成本的大幅提升;更重要的是,多模光模块所依赖的低成本VCSEL光芯片方案, 2020年很可能仍然需要超过12芯MPO的8对多模光纤。现有的12芯MPO能够容纳的400G SR4看上去遥遥无期。

因此在2020年,如果没有开放且标准化的多模波长复用技术(比如SWDM技术)出现,低成本VCSEL 100G技术也不能取得突破, 400G多模光纤解决方案成本优势将不再明显,单模光纤在大规模数据中心也许将成为主流,而中短距的单模并行解决方案将会是替代多模并行解决方案的高性价比选择。

——杨志华《2020年数据中心网络技术 十大热点排行榜》

200G PSM8对比200G SR8

基于易飞扬(Gigalight)独有的PSM系列产品线,近日易飞扬(Gigalight)发布了200G QSFP-DD PSM8的新产品, 200G QSFP-DD PSM8是单模并行技术的高速率产物。

要实现长距离传输必须使用色散损耗小的单模光纤,单模光纤与半导体要实现高的耦合效率,需要对半导体激光器发出的光场进行整形,使入射光场与光纤本征光场达到最大可能的匹配。

而200G QSFP-DD SR8采用8通道的850nm VCSEL阵列,符合100GBASE-SR4协议标准。200G QSFP-DD SR8是多模并行的产品,借助传统的VCSEL优势平台,易飞扬(Gigalight)采用了简单高效且可靠的光纤耦合工艺技术,在激光器和光纤之间增加45°棱镜,同时经过对光纤面的特殊材质处理,使得光纤耦合效率提升到了80%以上。

00G光模块中的两种并行技术比较" 图片来源易飞扬Gigalight

这两款产品的相同点在于都属于200G数据中心解决方案里的光模块,并且都采用了QSFP-DD的封装,都可使用16芯的MTP。

QSFP-DD的优势在于1U面板可以做到36*200G/400G的密度,并且对QSFP前向和后向兼容,可兼容现有的QSFP28光模块及AOC/DAC等。

主要不同在于200G QSFP-DD PSM8采用的是8路1310nm单模光纤并行的方案,传输距离可达10km; 而200G QSFP-DD SR8采用多模光纤并行的方案,在OM4光纤链路上传播距离可达100m。

总结

多模并行方案是当前数据中心发展的核心,交换机与核心交换机之间的传输距离正好在多模光纤的适用范围之内。

康宁公司于前几年就已经推出了OM5光纤,却并未引起预期的市场反响, SWDM短距离波分复用方案仅仅为为数不多的几个厂商所推广——可见它的确缺少市场。

在不久的将来,如果一般企业级数据中心希望继续使用经过标准认证的解决方案,并降低光学器件成本,则可以选择多模并行光学器件——毕竟中小企业不需要400G这样大的容量。

但是如果是在超大规模数据中心的建设部署过程,尤其是考虑到系统的可升级性、系统的灵活性,我们或许更应该考虑单模并行方案。

在一些有识之士的眼里,单模并行方案虽然增加了光纤芯数,但是从整体来讲,减少了维护复杂度,更易管理,且更容易从100G升级到之后的400G(要知道在不增加光纤资源的前提下,当前基于波分复用的100G CWDM4最多只能演进至200G FR4,而100G PSM4可以升级至400G DR4)。

——李莫非《数据中心再论:成本 技术 简洁和可重构》

一般来说,主要交换机和收发器供应商的技术路线图为部署并行光学器件的客户显示了非常清晰和简单的迁移路径。所以当光学器件可用,并且从100G迁移到200G或者400G时,它们的光纤基础设施依然存在,无需升级。

可靠性、产品寿命和维护成本等都是相互关联的,在总成本上以200G QSFP-DD PSM8为代表的单模并行方案或许应该成为未来大规模数据中心的布线指南。

原创文章,作者:易飞扬,如若转载,请注明出处:https://www.gigalight.com/cn/bbs/article/200g-optical-parallel-technology.html

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