Cignal AI：展望800G/1.6Tbs客戶端光學

  ICC訊（編譯：Nina）Cignal AI與系統(tǒng)和器件供應商進行了兩個月的交談，了解了他們對下一波100Gbps和200Gbps基于PAM4客戶端光學的想法。Cignal AI在光器件報告中提供了800Gbs和1.6Tbs光模塊的完整定量預測，但該分析公司希望分享一下他們在這些數字背后的觀察和想法，以幫助客戶了解數據中心內的下一波速度：

  - 光器件在進度和接口速率方面都遵循芯片的能力，因此要根據芯片進度來確定光器件進度。
  - 800GbE將于明年開始大規(guī)模部署，1.6TbE和3.2TbE將在未來2-3年內部署。
  - 關于QSFP和OSFP的爭論要得出結論還為時過早，在更高的速率下，熱管理將是更難解決的問題之一。
  - 有一些努力(但不是很多)致力于用新的高速PAM4速率升級低速客戶端光學器件。

  當前一代400GbE客戶端光學器件構建在到交換機結構、GPU和其他硅芯片組的每通道50Gbps PAM4電連接上。業(yè)內正在構建基于每通道100Gbps PAM4的下一代800GbE模塊，同時已經演示了200Gbps PAM4組件。隨著電速率的增加，有更多的高速客戶端光學以及升級到低速客戶端光學的選擇。

  100Gbps和200Gbps PAM4概述

  目前的400GbE模塊使用8個56Gbps PAM4(通常簡稱為50Gbps)電氣連接通道來提供完整的400Gbps數據。在大多數400GbE模塊中，這些56Gbps的電氣通道連接到單獨光纖(例如DR4)或波長(例如FR4)上的四個112Gbps光通道。

  - 標準的QSFP-DD(有時稱為QSFP56-DD)被設計為具有8個56Gbps信號通道。DD，即雙倍密度，意味著該模塊的信號路徑(8)是標準QSFP(4)的兩倍。
  - 具有四個56Gbps信號通道的QSFP56模塊也適用于200GbE模塊，并且廣泛可用。業(yè)內還定義了支持100GbE的2x56Gbps信號的SFP-DD112，但其受歡迎程度要低得多。
  - 廣泛部署的QSFP28標準為100GbE模塊提供4路28Gbps信號。

  112Gbps PAM4(通常簡稱為100Gbps)使每種模塊類型的可用速度翻了一番。支持112Gbps PAM4的新模塊不僅可以支持更高的速度，還可以滿足與更高速度相關的更高功率要求。例如，QSFP-DD的原始規(guī)格是14W，盡管在實踐中接近20W。112Gbps版本規(guī)格從25W開始，一些供應商已經瞄準了30W的能力。

  224Gbps PAM4(通常簡稱為200Gbps)將速度再次提高一倍，最終支持每個模塊高達1.6Tbps或3.2Tbps。為了支持這些更高的速率，業(yè)內將需要開發(fā)具有改進散熱的新模塊類型(例如，OSFP-XD)。

  支持800GbE模塊的112Gbps組件已經成熟，基于該技術的模塊的早期版本在今年3月的OFC22和9月的ECOC22上進行了演示。

  224Gbps的PAM4還處于早期開發(fā)階段。在OFC22上，Coherent展示了其224Gbps EML, Semtech展示了200Gbps TIA和驅動器，許多供應商暗示了他們的224Gbps組件和模塊計劃。

  100Gbps PAM4模塊

  最受歡迎的112Gbps模塊肯定是QSFP-DD800，設計用于8x112Gbps操作，以提供800GbE。然而，每通道112Gbps的PAM4也可以應用于低速模塊。例如，SFP112被定義為使用112Gbps PAM4輸入和輸出來支持單個100GbE波長，而當前SFP最大速率為10-25Gbps。齒輪箱(Gearboxing)——或者使用額外的邏輯從較低的電氣速率轉換為較高的光學速率——通常是避免的，因為它增加了模塊的成本和功率。

  支持112Gbps PAM4接口的最新交換機硅在設計時考慮到了800GbE，使用這些芯片組構建的初始硬件將支持最高密度的800GbE。因此，光模塊制造商的主要關注點是QSFP-DD800模塊。初始版本將是2x400GbE(2xFR4)和一些8x100GbE，這兩種版本都允許更大的Breakout密度，并避免了IEEE定義800GbE MAC時的延遲。單接口800GbE設備將緊隨其后，數據中心內部使用的較短距離(500m/2km)DR8跨度是最高優(yōu)先級。

  至少有一家硬件供應商也計劃為低速模塊(QSFP112和SFP112)構建接口。該供應商的重點是服務提供商(而不是數據中心運營商)的100GbE速度，他們仍然認為城域對100GbE和400GbE的需求很大。具有單個112Gbps PAM4輸入和輸出的100GbE模塊的功率將比4通道版本低得多，并且可以與最新的交換機芯片互連，而無需齒輪箱。將100GbE接口轉換為更小的SFP格式還可以減少前面板空間和支持該接口所需的設備尺寸。

  專注于數據中心運營商的硬件供應商不會構建基于112Gbps接口的低速(100GbE、400GbE)模塊。大型數據中心運營商正在從100GbE遷移到400GbE，他們認為更新網絡中已經被限制的舊設備沒有任何好處。目前正在部署的400GbE模塊(8x56Gbps)旨在與當前的交換機芯片對接，這兩種芯片的部署量仍在增加。這些運營商將等待幾年后推出的下一代1.6TbE模塊(8x224Gbps或16x112Gbps)，而不是使用新的4x112Gbps模塊和新的交換機硅重啟這一進程。

  基于OSFP-XD規(guī)范的112Gbps接口還將支持首批1.6TbE模塊。OSFP-XD旨在支持16條信號通道，目標是支持1.6TbE，最終支持3.2TbE。

  200Gbps PAM4模塊

  224Gbps PAM模塊定義尚處于早期階段，但224Gbps PAM的最終目標是支持3.2TbE(16x224Gbps)。QSFP224模塊已被定義為支持800GbE，但它可能與QSFP112支持400GbE屬于同一類別，實際部署有限。QSFP格式的支持者樂觀地認為，QSFP-DD800模塊的一個版本可以設計為支持1.6TbE(8x224Gbps)，但這項工作尚未正式開始。

  QSFP vs OSFP

  QSFP和OSFP格式在模塊供應商、硬件供應商和運營商中都有支持者。QSFP一直是高達400GbE速率的銷量冠軍，OSFP方面僅有谷歌大規(guī)模部署了，但這可能會在未來幾代發(fā)生變化。

  也許兩種格式之間最大的區(qū)別是散熱片的位置。在OSFP上，散熱器內嵌在模塊中。在QSFP上，散熱片位于硬件板上–籠子(Cage)或設備中。

  嵌入式散熱器在技術上是一個更好的解決方案，因為設計師不必擔心與外部散熱器的熱連接，設計更加集成等。然而，嵌入式解決方案是固定在它們設計的位置上的。例如，最初的OSFP設計假設為12W，但現在提出的解決方案將需要30W，這需要更高的氣流和更大的風扇功率。

  板載散熱器具有更大的靈活性。例如，板載散熱器可以用不同材料設計不同的翅片輪廓等，以更好地最大化散熱。因此，基于QSFP的高功率設計通常需要更少的氣流和更少的風扇功率。一家供應商聲稱，在他們的系統(tǒng)中，與OSFP設計相比，系統(tǒng)功耗節(jié)省了20%。

  然而，隨著功耗成為一個更大的問題，QSFP由于尺寸較小，可能不具備外部散熱器去除所有熱量的能力。OSFP-XD設計更大，同時包含內部和外部散熱器，既簡單又適合未來。

  QSFP與OSFP相比具有其他優(yōu)勢，這些優(yōu)勢為其迄今為止的成功做出了貢獻。它是向后兼容的，因此當前的解決方案可以與上一代(和下一代)兼容。外部散熱器也可以實現這一點，因為創(chuàng)新的散熱器設計可以適應下一代更高的功率。QSFP也小于OSFP，因此可以安裝在面板上的單元數量更高。通常，路由器設計者更喜歡QSFP，即使他們支持兩種模塊類型，但大多數人承認QSFP可能會在1.6Tbps時迎來終結。

  發(fā)布時間表

  交換機芯片的發(fā)布時間表決定了下一波客戶端光學器件的需求。目前大多數客戶端光學器件都部署在路由器中，而客戶端光學器件需要路由器硬件。(客戶端光學器件也部署在服務器、AI/ML節(jié)點和其他硬件中，但這些硬件通常落后于路由器部署。)一般的開發(fā)計劃要求客戶端光學器件在交換機芯片組首次到達之前可用，以便進行測試和集成到完整的系統(tǒng)中。但在系統(tǒng)進入批量生產之前，這仍然需要一年的時間。

  基于112Gbps的光學器件(800GbE)的芯片組目前已在實驗室中，這意味著少量800GbE光學器件已交付給系統(tǒng)供應商進行集成測試。系統(tǒng)部署計劃在2023年上半年進行，但要到2023年下半年才會進行大規(guī)模部署。Hyperscaler的一些白盒開發(fā)可能會稍早一些，但沒有人能逃脫交換機芯片組的時間限制。

  一些800GbE接口已交付給AI/ML專有系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)使用定制齒輪箱將AI/ML芯片組的56Gbps PAM4信號升級到112Gbps。由于這些不是真正的800GbE模塊，而是定制的接口，因此它們不計入Cignal AI的800GbE模塊出貨量中。

  基于224Gbps的光學系統(tǒng)預計將比基于112Gbps的光學系統(tǒng)晚18至24個月，這意味著部署要到2025年。

  結論

  了解下一波客戶端光學技術背后的技術和路線圖對于路由器硬件供應商以及制造支持最新速率的轉發(fā)器和復用轉發(fā)器的光學硬件供應商至關重要。Cignal AI要感謝所有為本報告提供全面和深入信息的供應商和運營商。

  原文鏈接：Previewing 800/1.6Tbs Client Optics - Cignal AI - https://cignal.ai/2022/10/previewing-800-1-6tbs-client-optics/