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(shù)字背后的觀察和想法，以幫助客戶了解數(shù)據(jù)中心內(nèi)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(jù)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(nèi)部署。
  - 關(guān)于QSFP和OSFP的爭論要得出結(jié)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(gòu)建在到交換機結(jié)構(gòu)、GPU和其他硅芯片組的每通道50Gbps PAM4電連接上。業(yè)內(nèi)正在構(gòu)建基于每通道100Gbps PAM4的下一代800GbE模塊，同時已經(jīng)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(shù)據(jù)。在大多數(shù)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(shè)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(nèi)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(guān)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(jīng)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(nèi)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(jīng)成熟，基于該技術(shù)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(qū)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)計時考慮到了800GbE，使用這些芯片組構(gòu)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(guān)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(shè)備將緊隨其后，數(shù)據(jù)中心內(nèi)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(gòu)建接口。該供應商的重點是服務提供商(而不是數(shù)據(jù)中心運營商)的100GbE速度，他們?nèi)匀徽J為城域?qū)?00GbE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(zhuǎn)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(shè)備尺寸。

  專注于數(shù)據(jù)中心運營商的硬件供應商不會構(gòu)建基于112Gbps接口的低速(100GbE、400GbE)模塊。大型數(shù)據(jù)中心運營商正在從100GbE遷移到400GbE，他們認為更新網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)被限制的舊設(shè)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(shè)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(nèi)嵌在模塊中。在QSFP上，散熱片位于硬件板上–籠子(Cage)或設(shè)備中。

  嵌入式散熱器在技術(shù)上是一個更好的解決方案，因為設(shè)計師不必擔心與外部散熱器的熱連接，設(shè)計更加集成等。然而，嵌入式解決方案是固定在它們設(shè)計的位置上的。例如，最初的OSFP設(shè)計假設(shè)為12W，但現(xiàn)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計更大，同時包含內(nèi)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(xiàn)這一點，因為創(chuàng)新的散熱器設(shè)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(shù)量更高。通常，路由器設(shè)計者更喜歡QSFP，即使他們支持兩種模塊類型，但大多數(shù)人承認QSFP可能會在1.6Tbps時迎來終結(jié)。

  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(shù)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(chǎn)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(jié)論

  了解下一波客戶端光學技術(shù)背后的技術(shù)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(zhuǎn)發(fā)器和復用轉(zhuǎn)發(fā)器的光學硬件供應商至關(guān)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/