transceptor 800G óptico

Hoje temos algo muito interessante: um olhar mais atento sobre o COBTELCOLORZ 800 (transceptor de fibra óptica de precisão OSFP112-DR8). Este é um ZR-G de longa distância+ 800transceptor óptico, usando o formato conectável OSFP padrão, mas pode atingir velocidades de 800 Gbps em distâncias de 500 quilômetros ou até mais de 1.000 quilômetros. Ele pode até ser configurado para suportar comunicação de 400 Gbps em distâncias de até 2.500 quilômetros. Demos uma olhada interna noCOBTELlab para entender como essa tecnologia óptica coerente funciona e queria mostrar como eles conseguem isso.

Hoje em dia a regra nos data centers é basicamente: usar cabos de cobre tanto quanto possível, e quando a distância for muito grande, usar fibra ótica. Se você observar produtos como o NVIDIA GB200 NVL72, descobrirá que sua maior inovação é a capacidade de usar cabos de cobre no backend para interconectar 72 GPUs e switches.

Além de um comprimento de cabo de cerca de 3 metros, linhas-de alta velocidade e cabos de cobre não podem ser usados ​​juntos devido a problemas de integridade do sinal.

Embora os cabos de cobre geralmente possam alcançar racks internos e adjacentes, os transceptores ópticos podem ser usados ​​para abranger distâncias maiores. No entanto, há um problema. Os transceptores ópticos usam tecnologias diferentes para abranger diferentes distâncias em velocidades diferentes.

Transceptores ópticos-de curto alcance operando a 10 Gbps ou 100 Gbps são muito mais baratos de fabricar do que transceptores ópticos-de longo alcance operando a 400 Gbps ou 800 Gbps, principalmente porque a complexidade da tecnologia está aumentando.

Outro aspecto é o fator de forma (o tamanho físico e a forma do módulo) dotransceptor óptico.

Módulos de formato-estilo CFP são mais comuns em aplicações de telecomunicações. Em data centers, tendemos a ver módulos SFP pequenos para aplicativos-de baixo custo e módulos QSFP e OSFP maiores para aplicativos-de alta velocidade. Até mesmo NICs comuns de infraestrutura de IA, como o adaptador NVIDIA ConnectX-7 400GbE, usamOSFP. Hoje estamos discutindo o módulo COBTEL COLORZ III 800G ZR+ OSFP. OSFP fornece um padrão de módulo maior com energia, refrigeração e, mais importante, o espaço necessário para lidar com todos os componentes. Parece assim:

Simplificando, de um lado o módulo recebe sinais elétricos do dispositivo.

Na outra extremidade, temos as portas ópticas de transmissão e recepção onde são inseridos os cabos de fibra óptica.

Embora pareça simples, algo notável acontece dentro da caixa de metal. Os sinais elétricos são convertidos em sinais ópticos e os sinais ópticos são convertidos novamente em sinais elétricos. Explicaremos o que acontece lá dentro em alto nível para que a maioria das pessoas possa entender.

A seguir, daremos uma olhada no interior do invólucro OSFP e explicaremos como ele funciona.

Foi demonstrado que a colocação de componentes dentro do transceptor óptico é crítica. Mesmo um desvio de um{1}}milímetro no posicionamento do componente pode afetar significativamente seu desempenho. Normalmente, as empresas desencorajam a desmontagem desses módulos-de última geração. Em vez disso, observamos uma demonstração no laboratório da COBTEL, que era essencialmente uma versão-ampliada do que havia dentro daquele pequeno gabinete metálico do OSFP.

É claro que uma placa de circuito grande disposta desta forma não é adequada para dispositivos de rede, portanto, outro aspecto impressionante não é apenas a capacidade de criar módulos de comunicação de 400 Gbps 2.500 km ou 800 Gbps 1.000 km, mas também de empacotá-los em módulos de fator de forma conectáveis ​​padrão.

Olhando para esta plataforma, a primeira coisa que você notará é o curtoDAC (cabo de conexão direta). Esta é a interface de sinal elétrico de 800 Gbps.

Esta é uma visão do conselho de desenvolvimento do outro lado.

Você pode pensar nisso como o lado elétrico do módulo que você vê aqui:

A primeira parada é através do COBTEL Orion DSP. Este é o componente entre as extremidades elétrica e óptica, usado para limpar o sinal.

Para lhe dar uma ideia do que há dentro, aqui está o COBTEL Orion DSP e o módulo COLORZ III 800G ZR + no qual ele está alojado.Módulo OSFPfica acima dos módulos conectáveis ​​COLORZ II (400G) e COLORZ I (100G) da geração mais antiga.

Esses DSPs são impressionantes porque devem lidar com tarefas de processamento significativas dentro de um espaço e orçamento de energia altamente restritos. Embora os chips NIC comuns de 10 Gbps ou 25 Gbps sejam fabricados usando tecnologias de processo significativamente mais antigas, esses DSPs são fabricados usando um processo de 5 nm para lidar com as restrições de energia e espaço dentro da área ocupada pelo módulo OSFP.

A partir do DSP, o sinal de transmissão é roteado para o CDM, ou Coherent Driver Module, que é a menor das duas caixas douradas/latão abaixo, onde uma única fibra é conectada.

Por uma questão de brevidade, não entraremos em detalhes de como o PIC funciona, mas nessa pequena caixa temos os componentes necessários para converter sinais elétricos em sinais ópticos usando uma fonte de laser, moduladores e outros componentes. Em uma extremidade da caixa, inserimos sinais elétricos e, na outra extremidade, emitimos luz para o feixe de fibras. Este é o fim da transmissão nesta placa de demonstração.

Neste ponto, você deve ter adivinhado que a caixa um pouco maior à esquerda é a extremidade receptora, conhecida como ICR, ou Receptor Coerente Integrado. Se você costuma usar cabos LC e ópticos de{1}modo único, notará imediatamente: há dois cabos de fibra na extremidade receptora. É aqui que essa tecnologia é um pouco mais complexa do que a óptica de baixo-custo e baixa{4}}velocidade que realiza apenas detecção direta (tipo de análise "há luz ou não").

Não há apenas uma fibra final receptora na placa de circuito, mas também um oscilador local que alimenta um segundo sinal no ICR. Pense nisso como um sinal de referência para comparação de fases. Dentro do ICR há um híbrido de 90 graus, um componente passivo que ajuda a manter as informações de fase e amplitude, entre outras coisas. O ICR também é equipado com fotodetectores para receber sinais ópticos e então produzir saídas elétricas na outra extremidade. Os sinais elétricos são normalmente fracos, por isso usamos um TIA, ou amplificador de transimpedância, para converter a corrente fraca do fotodetector em uma tensão mensurável. Pense nisso como um amplificador do lado elétrico.

Normalmente, esses componentes também requerem resfriamento, então a placa de referência se parece mais com isto:

Até mesmo a fonte de laser de referência requer um dissipador de calor para resfriamento. Quando menciono que conseguimos entrar no laboratório, fica claro que este é um verdadeiro ambiente de laboratório.

Em seguida, os sinais elétricos do ICR podem ser alimentados no Orion DSP no lado elétrico.

Isto completa o ciclo completo de processamento de sinal, cobrindo os domínios elétrico e óptico.

É importante observar que cada lado dessa plataforma de desenvolvimento é empacotado e gerenciado termicamente dentro do formato OSFP.

Além do hardware, vamos discutir brevemente a necessidade de um sinal de laser de referência e a distinção entre detecção direta e detecção coerente.

Como parte do artigo, uma das minhas ideias é explorar as diferenças entre detecção direta e detecção coerente, que são comumente usadas em dispositivos ópticos de baixo-e{1}}custo.

Quem precisa se aprofundar em matemática e física já deve estar familiarizado com isso. Muitos métodos de detecção de sinal concentram-se na simples questão de saber se um sinal está presente ou não. Em um módulo muito básico de 10 Gbps, isso pode ser enquadrado como "Há luz ou não?" Isto pode ser representado de muitas maneiras 2D bastante simples, bem como através de esquemas de codificação mais complexos. No laboratório, frequentemente vemos diagramas oculares-representações gráficas da qualidade do sinal-como o mostrado abaixo (da divisão Silicon Photonics de 2019 da Intel, que a Intel vendeu no mesmo ano).

A detecção coerente é muito mais complexa, pois permite técnicas mais avançadas utilizando luz. Em vez de apenas detectar a presença de luz, podemos observar a “constelação” do sinal. Ambos os diagramas exibem polarização X e Y, resultando em 16 constelações possíveis.

É por isso que ter uma referência de oscilador local é crucial. Para codificações mais complexas, precisamos das informações adicionais fornecidas por essa referência.

Se você está curioso sobre as diferenças entre detecção direta e detecção coerente, existem muitos artigos detalhados sobre o assunto. Para os visualizadores de STH, a principal conclusão é que, embora o módulo 800G ZR+ OSFP possa parecer um módulo 100G SR4 QSFP28 um pouco maior, seus componentes internos são muito diferentes.

Portanto, a grande questão é: “Por que isso importa?” Uma razão simples é que a implantação de data centers em regiões diferentes pode ser vantajosa em termos de custo e resiliência. A conexão direta de um switch a um data center a 1.000 quilômetros ou mais de distância permite que as organizações hospedem mais infraestrutura em locais estáveis-de custos mais baixos. Além disso, se você tiver dois campi geograficamente distantes, vinculá-los com largura de banda de 400 Gbps a 800 Gbps pode ser uma mudança-no jogo.

Mas, na realidade, um dos maiores impulsionadores da óptica conectável hoje é a construção de data centers de IA. Esta construção é limitada pela disponibilidade de energia, por isso os operadores de centros de dados estão concentrados em garantir a energia. Os planos incluem a construção de grandes data centers próximos a usinas de energia existentes, a criação de novas fontes de energia para data centers e muito mais. Minimizar as perdas de transmissão ajuda a maximizar a potência disponível para computação. O desafio é que os clusters exigem tanta energia que depender de um único local pode não ser mais viável.

Freqüentemente ouvimos a ideia de localizar vários data centers próximos a fontes de energia, em vez de concentrar a computação em um campus. Curiosamente, isso também era o que muitos mineradores de criptomoedas estavam explorando em meados-ao{2}}final da década de 2010. A diferença é que os farms de mineração não exigem acesso mútuo de alta-largura de banda e baixa{6}}latência, enquanto os clusters de IA exigem.

A ideia é que construir clusters em grande-escala em vários locais próximos a fontes de energia disponíveis pode economizar perdas e custos de transmissão de energia, além de ser mais simples. Em vez de licenciar e construir grandes fontes de energia, as organizações podem iluminar-cabos de fibra óptica não utilizados-de fibra escura ou instalar fibra adicional para conectar clusters em diversas fontes de energia menores.

Portanto, a resposta simples é que esses módulos permitem que as organizações usem transceptores ópticos conectáveis ​​comuns (em vez de caixas DCI dedicadas) para estabelecer links rápidos que abrangem longas distâncias de maneira relativamente barata e fácil. O que é ainda mais interessante é o potencial para distribuição geográfica em grande-escala de recursos de IA.

Módulos conectáveis ​​geralmente aparecem como simples invólucros de metal. Dessa perspectiva, é difícil dizer por que um é mais complexo que o outro.

Ao examinar a parte interna dos módulos{0}}de última geração, podemos entender melhor a complexidade dessas ópticas conectáveis. Vimos um transceptor óptico 100G SR4 simples e de baixo-custo, que é muito diferente do transceptor óptico 800G ZR+. A razão é que, embora pareçam semelhantes, o módulo COLORZ III pode transmitir dados a uma taxa 8 vezes maior em distâncias 10.000 vezes maiores. Provavelmente foi por isso que pensei que era uma demonstração tão legal quando a vi pela primeira vez.

Alguns devem ter notado no contexto anterior que também desmontamos um DAC 100G QSFP28 e um transceptor óptico 100G SR4 QSFP28. Achamos importante mostrar o que está dentro do módulo, então este artigo irá revelar o que está dentro da caixa do DAC.

O cabo que estamos prestes a abrir é rotulado como Intel DAC. Isto é bastante típicoDAC QSFP, com um conector elétrico em uma extremidade e um cabo na outra.

Abrir a caixa é bastante fácil. Algumas caixas, como esta, usam parafusos simples para mantê-las unidas. Outros usam métodos de conexão-mais difíceis de{3}}abrir. Recomendamos que, se você mesmo for abrir a caixa, tente usar uma com parafusos de fácil aperto. Além disso, esteja ciente de que o mecanismo de fixação do QSFP28 geralmente possui uma mola. É bem sabido que ao abrir estas caixas, a mola pode saltar para fora da caixa.

Dentro da caixa podemos ver que o PCB é muito simples. Na verdade, você pode ver muitos vestígios entre o conector QSFP28 e os fios internos do cabo.

 

O módulo possui fios blindados grossos, do mesmo comprimento do DAC. Cada fio possui um número, o que pode ser útil para a fabricação. As conexões e extremidades dos fios são revestidas com resina ou epóxi para fixá-las aos pontos de solda da PCB. Depois pegamos uma fita de cobre e uma saída de cabo flexível com suportes curvos. Ambos os lados parecem muito semelhantes.

Só para você ter uma ideia, veja como é o interior de um DAC-QSFP28 100G SR4 de baixo custo, especificamente o lado PIC (Circuito Integrado Fotônico). O alinhamento das fibras ópticas deve ser mais preciso, e a interface do fóton-para-o circuito é muito mais complexa do que a estrutura interna do DAC.

A maioria das pessoas nunca precisará espiar dentro de um DAC. Eles foram projetados para serem plug{1}}e{2}}play, sem necessidade de manutenção. Mesmo assim, achamos que vale a pena abrir uma das extremidades da caixa para mostrar como funcionam esses cabos. Devemos pelo menos salientar que se trata de cabos passivos. Existem AECs (Cabos Elétricos Ativos), que possuem chips de retemporização ativos nos conectores dos cabos que ajudam a melhorar a qualidade do sinal, permitindo que sinais de alta{6}}velocidade viajem ainda mais pelo cobre. AECs são mais complexos,{8}}que consomem muita energia e são caros. Dito isto, quando se trata da simplicidade do design do DAC, esperamos que estas fotos lhe dêem uma ideia melhor.