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下一代数据中心布线,并行还是波分复用?

前段时间易飞扬(Gigalight)发布了应用于数据中心的200G QSFP-DD PSM8光模块,该款光模块采用了并行传输的技术,采用8收8发的16根光纤以及24接口的MPO进行连接。为超大数据中心的下一代光模块部署提供了行之有效的解决方案。

那么什么是并行传输呢?我们平时所说的波分复用又是什么?两者之间的区别差异在哪?

并行二字从“parallel”英译而来,并行光纤方案是当前数据中心扩容的重要方式。从机架之间的多模并行方案到中长距离的并行单模方案,并行光模块技术的优势在于在发射端采用单个激光器和四个集成调制器(比如PSM4模块)将光信号分为四路耦合至光纤链路之中,单个模块成本低且可靠性高。

但是缺点也是显而易见的—需要很多光纤,传输距离变长之后,光纤+光模块的成本构成要素中光纤成本占据主要成分。这个光纤成本容忍距离大致是500米。

下一代数据中心布线,并行还是波分复用?

光模块并行链路方案示意图

500米之后又出现了新的低成本解决方案,那就是CWDM光模块和光纤的组合。不同于DWDM(密集波分复用技术),CWDM技术是波分复用技术中的波长间隔较大(20nm)的方案,并且使用场景的距离比DWDM方案短。

波分复用技术在发射端利用复用器(MUX)将不同WDM波长的光载波信号复用到一根光纤上进行传输,在接收端利用解复用器(DEMUX)将各个WDM波长分离开来的技术,每个WDM波长信号都相互独立,并且不受任何传输协议和速率的影响。

CWDM模块只需要两根光纤就能实现数据扩容的目的,不仅简化了光传输网络的结构,更是极大地节省了光纤资源。但是采用波分复用技术在发射端要采用不同波长的激光器,比如100G QSFP28 CWDM4需要四个直接调制激光器,光信号经过复用器由双工LC接口进入光纤链路,由于激光器相对较高的成本占比,单个CWDM模块价格相对高一些.

100G QSFP28封装的光模块异同点

 CWDM4光模块PAM4光模块
光发射器四个CWDM直接调制激光器四个集成硅光子调制器和一个分布反馈激光器
四波长CWDM波分复用器需要不需要
接口类型双工LC接口MPO/MTP接口(8芯)
距离<2Km<500m(实际可达10Km)

其实并行方案和波分复用方案还体现在当前众多光模块(尤其是数据中心场景)的设计应用上,由下表所示。

数据中心使用场景方案图

光模块类型连接器光纤类型传输距离
100GBASE-SR1024芯MPO,10发10收多模光纤,850nmOM3 100m;OM4 150m
100GBASE-SR412芯MPO,4发4收多模光纤,850nmOM4 100m
100G PSM412芯MPO,4发4收单模光纤,1310nm500m~10Km
100G CWDM4双工LC,1发1收单模光纤,1271nm~1331nm500m~2Km
100G-LR4双工LC,1发1收单模光纤,1295.56~1309.14nm10Km
100G-ER4双工LC,1发1收单模光纤,1295.56~1309.14nm40Km

我们可以看到,在当前100G以及以下速率的数据中心,短距离多模光模块使用多模并行技术,1310nm波长的PSM4光模块使用的是单模并行。波分复用技术减少光纤的纤芯数量,主要代表是100G-LR4光模块;100G ER4是更长距离的版本,100G CWDM4光模块则很好地填补了LR4在2Km以下成本过高的空白,是LR4在500m到2km范围下的替代产品。

下一代数据中心布线,并行还是波分复用?

数据中心内部不同光模块适用场景

和100G QSFP28 LR4以及100G QSFP28 PSM4相比,100G QSFP28 CWDM4光模块几乎成了当前100G数据中心最受欢迎的产品。具体表现为:

1、激光器波长温漂特性大约为0.08nm/℃,CWDM4在0~70℃下5.6nm的波长变化范围大于LR4的4.5nm,因此CWDM4不需要额外增加TEC(半导体热电制冷器)。

2、CWDM4使用DML调制,LR4使用EML进行调制;EML性能更强,但是价格更高。

3、2根光纤,和100G PSM4的8根收发光纤相比,在光纤资源匮乏的情况下大大减少了光纤成本。

以上理由解释了100G CWDM4在近两年的数据中心异常火爆的原因,成本低。

CWDM4光模块结构简图

波长通道中心波长波长范围 
Lane11271nm1264.5 to 1277.5nmTx0,Rx0
Lane21291nm1284.5 to 1297.5nm Tx1,Rx1
Lane31311nm1304.5 to 1317.5nmTx2,Rx2
Lane41331nm1324.5 to1337.5nm Tx3,Rx3

下一代数据中心布线,并行还是波分复用?

但是根据数据中心出现宕机或者自然灾害等意外因素,CWDM模块有可能就会直接报废。这时100G PSM4的优势就体现了出来——可靠性更高,虽然当前100G数据中心架构里PSM4由于随距离增加的成本上升导致其更多被用于500m以下(Leaf-Spine)的中距离场景,但是实际上我们常常忽视了的一点:PSM4技术采用的1310nm单模MPO技术使其完全可以胜任10Km的传输任务。

电信模块和数据中心模块的差异

100GE主流技术方案LWDM4CWDM4
应用领域电信Telecom数据中心DC
传输距离10/40/80km<2km
满足标准IEEE 802.3CWDM4 MSA
工作环境户外(灰尘、水汽、腐蚀)/室内室内空调机房
工作温度0~70℃/-40~85℃15~55℃
可靠性要求电信级可靠性>10年3~5年
BER指标1E-125E-5

从上表我们不难看出,CWDM4模块是以降低可靠性标准为前提的。如果把可管理维护等因素考虑进去,并行传输的PSM方案似乎应该更加被数据中心建设者们所注意和重视。而在即将到来的400G数据中心,VCSEL方案的短距离下的AOC连接似乎也面临着成本过高的问题,SR4方案迟迟得不到解决,现行的400G SR8光模块需要16根多模光纤。

从机架之间到DCI园区的整个场景,我们甚至可以考虑一个统一的并行单模的架构,那么事情就会变得无比简单——实际上随着速率的升高,北美的数据中心正逐年减少多模光纤的部署,如下图所示。

下一代数据中心布线,并行还是波分复用?

Intel预测的数据中心互联方案趋势

当然业界还有其他的声音,比如支持波分复用的SWDM技术以及相应诞生的OM5光纤。这些观点和技术都处于市场的孕育之中,业界也一直处于激烈的讨论之中。方案的选择取决于数据中心的架构师们,可持续发展观是理性的决策者们所必须具备的,光模块市场已经过了狂飙突进的野蛮生长期,在即将到来的200G/400G时代,我们拭目以待。下一代数据中心布线,并行还是波分复用?易飞扬200G/400G数据中心解决方案示意图

易飞扬(Gigalight)拥有一系列波分复用和并行工艺平台以及相关专利,可以为数据中心建设者们带去更低成本和高性能的解决方案。如果有相关需求,可联系我们的销售人员。

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/parallel-cable-datacenter.html

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