Módulos ópticos en evolución para los centros de datos del mañana

Los transceptores ópticos juegan un papel clave en los centros de datos, y su importancia seguirá creciendo a medida que el acceso al servidor y las interconexiones de conmutador a conmutador requieran velocidades cada vez más altas para satisfacer las crecientes demandas de ancho de banda impulsadas por la transmisión de video, la computación en la nube y el almacenamiento, o la aplicación. virtualización. En la actualidad, los centros de datos de gran escala suelen tener puertos de acceso de 10 G que interactúan con estructuras de conmutación de 40 G, pero en un futuro próximo, los puertos de acceso aumentarán a 25 G y las estructuras de conmutación a 100 G. Aquí, revisamos los desafíos presentados por las aplicaciones del centro de datos en módulos ópticos y describimos cómo está respondiendo la industria para satisfacer la demanda.

Un solo mega centro de datos que alberga cientos de miles de servidores interconectados por una malla horizontal altamente redundante requiere una cantidad similar de enlaces ópticos. Debido a que cada enlace debe terminar en ambos extremos con un transceptor óptico, la cantidad de transceptores es al menos el doble de la cantidad de enlaces ópticos y puede alcanzar números aún mayores si se utilizan configuraciones de ruptura óptica. Volúmenes tan altos pueden generar puntos de bajo costo para los transceptores ópticos, aunque estos módulos operan a la vanguardia de la alta velocidad de datos. Los precios del orden de $10/Gbps para alcances más largos hasta $1/Gbps para alcances más cortos se han presentado como un desafío para los proveedores, lo que claramente es un objetivo ambicioso dado que el precio actual es de 5 a 10 veces más alto, aunque en velocidades de datos diferentes o en un espacio de aplicación diferente.

Las reducciones de costos de este orden son difíciles de lograr al hacer solo pequeños refinamientos de enfoques probados para el diseño y la fabricación de módulos. Las especificaciones relajadas, como reducir la temperatura máxima de funcionamiento, reducir el rango de temperatura de funcionamiento, acortar la vida útil del uso del producto y permitir el uso de la corrección de errores de reenvío (FEC), son ejemplos que pueden ayudar a reducir el costo del módulo, ya que permite a los proveedores de módulos adoptar diseños de menor costo con niveles más altos de integración óptica, empaque no hermético, operación sin refrigeración o pruebas simplificadas.

Un factor importante que determina las aplicaciones de los módulos ópticos es el factor de forma. Los centros de datos de hoy en día se han consolidado en torno a transceptores en factor de forma SFP para acceso a servidores y alrededor de transceptores QSFP para interconexiones de conmutador a conmutador. Los cables de cobre de conexión directa (DAC) se utilizan normalmente cuando la distancia al puerto de acceso es inferior a 5 m, con módulos ópticos o cables ópticos activos (AOC) utilizados para alcances más largos. Los puertos de acceso 10G usan módulos SFP+, pero harán la transición a SFP28 cuando la velocidad de acceso aumente a 25G. El acceso al servidor no requiere alcances superiores a 100 m, por lo que estos módulos generalmente se limitan a transceptores basados ​​en VCSEL que operan sobre fibra multimodo (MMF). Sin embargo, también se espera que el ecosistema en torno a los carriles 25G se aproveche en aplicaciones como las redes empresariales de próxima generación que impulsarán la demanda de módulos SFP28 que operen sobre fibra monomodo (SMF) para tramos de 10 km a 40 km.

Topología de red de Cloud Datacenter y ruta de actualización prevista en la velocidad de datos para el acceso al servidor y la estructura de conmutación.

Los módulos QSFP aceptan 4 carriles de entrada eléctrica y funcionan a 4 veces la velocidad de datos del módulo SFP correspondiente. Hoy en día, 40G QSFP+ se implementa ampliamente en estructuras de conmutación de centros de datos. Existen dos esquemas algo competitivos para la interfaz óptica: fibra monomodo paralela (PSM) y multiplexación por división de longitud de onda del curso (CWDM). PSM opera sobre un cable plano de 8 SMF, donde cada carril óptico ocupa un par de fibra dúplex. PSM tiene la ventaja potencial de un costo de módulo más bajo porque no se requiere multiplexación de longitud de onda, pero los costos de cable y conector son significativamente más altos que el dúplex, lo que resulta en una planta de fibra más costosa.

Cuatro generaciones de transceptores del lado del cliente enchufables de 100 G: CFP, CFP2, CFP4 y QSFP28 (de izquierda a derecha).

CWDM opera sobre cableado SM dúplex y utiliza multiplexación por división de longitud de onda para combinar 4 carriles en una fibra. Aquí, el estándar Ethernet 40GBASE-LR4 existe como especificación de referencia para la interfaz óptica. Debido a que los carriles viajan en un solo hilo de fibra, los enlaces CWDM son compatibles con la conmutación totalmente óptica, que se puede utilizar para la reconfiguración y la gestión del tráfico del centro de datos. Un desafío con los módulos CWDM es que el costo suele ser más alto que el PSM debido a la necesidad de componentes adicionales, como un multiplexor o demultiplexor óptico, pero se pueden lograr reducciones significativas de costos al reducir la distancia de transmisión de 10 km (LR4) a 2 km (MR4). o LR4-Lite).

Esto ilustra otra tendencia relacionada con los centros de datos, que es que casi todas las longitudes de enlace son inferiores a 2 km. Por esta razón, las especificaciones para la próxima generación de módulos QSFP que operan a 100G (QSFP28) se han enfocado en alcances entre 500m y 2km sobre SMF. Los MSA CWDM4 y CLR4 se basan en la misma cuadrícula de longitud de onda que 40GBASE-LR4 pero aumentan la capacidad a 100G (4x25G). Alternativamente, el PSM4 MSA especifica una interfaz 4x25G sobre 500m de cableado PSM. Dichos módulos QSFP28 se implementarán en grandes volúmenes a medida que los centros de datos hagan la transición de estructuras de conmutación de 40G a 100G a partir de 2016. Además, los módulos QSFP28-LR4 serán necesarios para interconectar los conmutadores del centro de datos con los enrutadores centrales que requieren interfaces compatibles con Ethernet (100GBASE-LR4 ). En este caso, similar a 40G, se espera que las versiones de costo reducido que están optimizadas para 2 km tengan una gran demanda.

Una métrica importante para los conmutadores de centros de datos es el ancho de banda del panel frontal, que es el ancho de banda agregado de todos los transceptores que pueden caber en un hardware de conmutación de 19" de ancho y 1RU de alto. Sin embargo, la capacidad de enfriar los módulos a través del flujo de aire es una limitación crítica. En muchos casos, la densidad de las conexiones eléctricas al transceptor puede convertirse en un factor limitante. Como consecuencia, un conmutador común normalmente puede acomodar 32 puertos QSFP en el panel frontal. Si los puertos son QSFP+, el ancho de banda correspondiente del panel frontal es de 1,28 Tbps ( 32 x 40G) Con la actualización a QSFP28, este ancho de banda aumenta a 3,2 Tbps.

La ruta de actualización después de QSFP28 es un tema de debate en curso. Se espera que los ASIC de conmutación de próxima generación tengan velocidades de puertos nativos de 50G y 128 puertos, lo que corresponde a un rendimiento neto de 6,4 Tbps. Siguiendo la tendencia 4x establecida por 40G y 100G, esto implica la necesidad de módulos QSFP de 200G ("QSFP56"). 32 puertos QSFP56 en el panel frontal darían como resultado un ancho de banda del panel frontal de 6,4 Tbps. Sin embargo, la dificultad con este camino es que no existe un estándar Ethernet de 200G. La discusión sobre su necesidad ha comenzado recientemente, pero la finalización de un estándar sería posterior a 400G Ethernet, que ya está en progreso.

Si se asumen puertos de 400 G, una ruta alternativa al ancho de banda del panel frontal de 6,4 Tbps es tener menos puertos y un módulo óptico más grande. Ya se anticipa un módulo más grande que QSFP para los módulos 400G de primera generación, ya que el módulo debe acomodar 16 carriles de entrada eléctrica de 25G u 8 carriles de entrada eléctrica de 50G, lo que excede los 4 carriles definidos para el QSFP. Además, cumplir con el límite de potencia de 3,5 W de los módulos QSFP parece inviable para algunas implementaciones de 400 G. El estándar de fibra monomodo dúplex de 2 km 400GBASE-FR8 se especifica con 8 longitudes de onda multiplexadas moduladas por 50G PAM4. Esto es el doble de la cantidad de carriles ópticos de un módulo QSFP28-CWDM4, que ya está cerca del límite de 3,5 W. Se pueden anticipar propuestas de factores de forma más grandes para 400G de grupos como CFP MSA, que ha tenido un gran éxito en 100G con CFP, CFP2 y CFP4. Un requisito clave en ese caso será que el tamaño permita al menos 16 puertos en el panel frontal (16 x 400G = 6.4T y posiblemente más).

Si es importante mantener el tamaño de QSFP, el único estándar 400G adecuado actualmente en desarrollo es 400GBASE-DR4, que especifica 4 canales ópticos 100G PAM4 que operan en 500 m de cable PSM4. Además, se espera que en el futuro se definan implementaciones de 100G PAM4 de 4 longitudes de onda sobre fibra SM dúplex. Según lo que se ha demostrado en los módulos QSFP28-CWDM4, la necesidad de solo 4 longitudes de onda aumenta la probabilidad de que se puedan cumplir los límites de potencia de QSFP. Sin embargo, a menos que también esté disponible una interfaz eléctrica de 4 x 100G ("CDAUI-4"), la cantidad de carriles de entrada eléctrica aún debe aumentarse a al menos 8. Esto requiere una nueva definición de módulo, y actualmente se están considerando varias soluciones. Entre ellos está pasar de los módulos enchufables a un nuevo paradigma basado en la óptica integrada (OBO). Los módulos OBO tienen la ventaja de acercar la óptica al ASIC, lo que puede ayudar a aumentar la integridad de la señal y reducir la potencia al eliminar los retemporizadores. El Consortium for On-Board Optics (COBO) se formó recientemente para acelerar el desarrollo de este tipo de soluciones y cuenta con el apoyo de al menos un gran proveedor de centros de datos. Otras soluciones también están sobre la mesa, como las propuestas por el microQSFP MSA, que tiene como objetivo realizar la función de un QSFP en un tamaño similar a un SFP, lo que resulta en un ancho de banda del panel frontal de 7.2Tbps.

Ejemplo de una matriz de láser emisor de superficie integrada en lente (LISEL) 4x25G para óptica integrada de 100G.

Los módulos ópticos son clave para construir las estructuras de conmutación de los centros de datos de megaescala. La transición de 40G a 100G es inminente y existen varios caminos posibles para la próxima etapa de evolución, que probablemente se basará en interconexiones de 200G o 400G. Se necesitarán nuevos conceptos de módulos ópticos, y los proveedores de módulos ópticos deben trabajar en estrecha colaboración con los fabricantes de equipos de red y los operadores de centros de datos para garantizar el desarrollo de soluciones que cumplan con los requisitos futuros de costo y potencia por gigabit de los centros de datos.

Escrito por Kohichi Tamura, Director del Departamento de Ingeniería y Marketing de Oclaro Japón