適用于超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的高效 100G/400G 光端機解決方案

作者 / Rang-Chen (Ryan) Yu   Molex業(yè)務發(fā)展副總裁，Molex 旗下 Oplink 公司光電子解決方案業(yè)務總經(jīng)理兼 100G Lambda MSA 聯(lián)合主席

摘要：介紹了適用于超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的高效 100G/400G 光端機解決方案。

　　全球網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中心的流量在十年來一直保持高速增長，在可預見的未來尚無任何減弱的跡象。智能手機及其他移動設備、社交媒體與應用、流媒體視頻、增強現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實日益普及，正在吸引著越來越多的新用戶，每位用戶持有的設備數(shù)量保持增長，并且每臺設備使用的數(shù)據(jù)量也在不斷攀升，這樣，數(shù)據(jù)中心的流量就發(fā)生了顯著的提升。據(jù)分析師預測，截至 2020 年，全球連接到互聯(lián)網(wǎng)的設備數(shù)量將達到 2000 億臺。近期的證據(jù)表明，逐步走向成熟的消費電子產(chǎn)品市場可能只是冰山一角。云計算和機器間的部署中數(shù)據(jù)帶寬的增長速度正在超過消費者的數(shù)據(jù)通信速率，推動著對大容量數(shù)據(jù)中心基礎設施的巨大需求。

數(shù)據(jù)中心和光學互連的增長趨勢

　　在過去的十年間，AWS、微軟、谷歌和臉書之類的頂尖互聯(lián)網(wǎng)站公司一直都忙于部署規(guī)模越來越大的數(shù)據(jù)中心，滿足客戶的需求，對于其中一些企業(yè)來說，在每座建筑物中使用的計算機服務器數(shù)量現(xiàn)在甚至已經(jīng)超過了 10 萬臺。在房地產(chǎn)及電能的供應充足而成本較低的地區(qū)，這類超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的提供商將附近到處蔓生的數(shù)據(jù)中心的處理能力合并起來，從而充分利用起規(guī)模經(jīng)濟。根據(jù)思科的預計，截至 2020 年，全部數(shù)據(jù)中心中近一半裝機的服務器都將位于超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心之內(nèi)。這些服務器將占到 68% 的處理能力，以及超過一半(53%)的數(shù)據(jù)中心總流量。

　　隨著云端需要為越來越多的關鍵任務型的商業(yè)應用及高時效性的消費者應用提供支持，在全球范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)中心的部署愈發(fā)要靠近人口中心。網(wǎng)絡公司建設的數(shù)據(jù)中心越來越多的采用多座建筑物，這些建筑物緊緊相鄰，通過極大的帶寬相互連接到一起。在人口較為稠密的地區(qū)，跨越各個相互獨立的電網(wǎng)來建立起數(shù)據(jù)中心，可以進一步地減少延遲、改善消費者的體驗。對于依靠一個單一電網(wǎng)的更大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心來說，這一戰(zhàn)略還可以降低風險、克服局限。

　　在每一座超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心建筑物的內(nèi)部，都可能有數(shù)萬臺以至數(shù)十萬臺的計算機服務器，通過不同層次的以太網(wǎng)交換機相互連接到一起，形成一種集體性的計算能力，致力于網(wǎng)絡公司自身的服務(例如，谷歌或臉書)，或者出租給企業(yè)客戶(例如，亞馬遜的 AWS 或微軟的 Azur)。盡管可以通過很多種方案來實現(xiàn)計算器服務器的互連，在 2018 年，典型超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡連接的特點在于采用了 DAC(直連銅纜)，在 25 或 2x25 Gbps 的速度下，在數(shù)米的距離內(nèi)將服務器連接到架頂 (ToR)服務器，然后再采用大量的 100 Gbps 光學鏈路，通過規(guī)模龐大的交換結構(通常稱為葉脊架構)實現(xiàn) ToR 交換機的互連。根據(jù)這類數(shù)據(jù)中心的具體數(shù)量，典型的光學互連覆蓋范圍最大可達到 500 米(DR)，但是大型數(shù)據(jù)中心所需的距離則要長達 2 公里(FR)。

　　當前一代的 100 G 光端機以 4 信道的光發(fā)送機和光接收機為基礎，分別在 25 Gbps 的速度下并行運行，從而達到 100 Gbps 的聚合帶寬。目前共有兩種類型的 100 G 光端機：對于希望部署更多的光纖并且降低每臺光端機成本的用戶，適合使用 PSM-4(并行單模-4)型的光端機。對于期望部署較少光纖的用戶，則更加適用 CWDM4(粗放型 WDM-4)型的光端機。這兩種類型的 100 G 光端機在當今都已實現(xiàn)大批量的部署。

100G/400G 的過渡及 100G PAM-4 技術即將到來

　　當前超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的特點在于互連速度過渡的速度更快，往往每三年發(fā)生一次迭代。極具創(chuàng)新性的100 G互連系統(tǒng)正在成為主流，在過去兩年間已經(jīng)得到廣泛部署，而下一次的速度過渡也正在逼近。盡管當前正在考慮200 Gbps的速度，而業(yè)界的一致觀點則是400 Gbps將成為下一步自然而然的選擇。

　　當前基于4x25 G的100G技術的封裝過程過于復雜，并且無法擴展到 400 G。為了降低 100 G 的成本，并且通過經(jīng)濟的方式來支持400 G的光學元件，業(yè)界正在轉(zhuǎn)向采用一項新的技術，采用在50 GBaud下使用PAM-4(4級脈沖幅度調(diào)制)編碼的光學元件，從而實現(xiàn)每信道 100G 的速度，然后再通過4x100 G的聚合來達到400 G的速度。制定100 G Lambda MSA(多源協(xié)議)的目的是定義這一新的行業(yè)標準，并已獲得了23家企業(yè)的推廣支持，而這就代表了一個廣泛的行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，其中包含了生產(chǎn)半導體集成電路、光端機模塊、網(wǎng)絡系統(tǒng)的企業(yè)，以及作為最終用戶的網(wǎng)絡公司。

　　采用單信道100 G光學元件的巨大優(yōu)勢包括顯著減少了光學元件的數(shù)量從而降低成本，為經(jīng)濟型的400 G速度構建起了堅實的基礎，并且，當電氣接口在未來遷移到100 G的串行接口時，無需再逆向操作。據(jù)估計，PAM-4 100 G 在元件數(shù)量上可減少 60%，而功率要求則可降低 33%。

　　100 G Lambda MSA 最近還公布了一份規(guī)范的初稿，其中定義了100 G FR(2 公里)、100 G LR(10 公里)及400 G FR4(2 公里)，并且還潛在地定義了400 G LR4(10 公里)。隨著數(shù)字信號處理以及高速硅光子學之類高速光電子設備技術的進步，我們預計業(yè)界將會很快采納并實施此類技術，現(xiàn)場的部署最早可能從 2019 年開始。

數(shù)據(jù)中心間 (DCI) 解決方案

　　在世界各地，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心都靠近人口中心部署，并且通過超高的帶寬互連起來。盡管各大洲各大洋之間部署了許多的超高速光纖鏈路，其中的大部分鏈路都連接在數(shù)據(jù)中心園區(qū)內(nèi)的各個數(shù)據(jù)中心大樓之間，或者連接在同一都市區(qū)的各個數(shù)據(jù)中心之間。這些數(shù)據(jù)中心建筑通過極高的帶寬相互連接在一起，每秒的速度可達到數(shù)十兆位的級別。

　　對于幾公里范圍內(nèi)互連到一起的數(shù)據(jù)中心，運營商可以選擇部署簡單的100 G CWDM4(2 公里)或100 G LR4(10 公里)型的光端機，然后再通過數(shù)百對的光纖來遷移到100 G FR/LR(使用PAM-4技術)。如果光纖數(shù)量不足，并且添加更多的光纖成本過于高昂，那么運營商就可能選擇部署 DWDM(密集波分復用)光端機解決方案，從而達到每對光纖40x100 G的聚合帶寬。對于這類園區(qū)內(nèi)的短距離互連來說，與復雜性更高的相干傳輸技術相比，采用直接檢測的單信道100 G PAM-4要經(jīng)濟得多，是一種更具吸引力的解決方案，需要具有偏振復用/多路分解功能的振幅與相位調(diào)制/解碼功能，以及配有精密控制光學本機振蕩器的相干檢測功能。

　　對于 80 公里距離內(nèi)的互連數(shù)據(jù)中心，采用了先進數(shù)字信號處理技術的100 G PAM-4 DWDM 在成本上仍然具有優(yōu)勢，由于在全部 DWDM 信道上可以共享補償，因此在可調(diào)諧色散補償要求提高的情況下優(yōu)勢依然明顯。將會采用相干檢測來覆蓋超出 80 公里的傳輸距離。在數(shù)據(jù)中心過渡到400 G后，DCI 解決方案將相應的擴展，而4x100 G PAM-4 則仍可用于傳輸距離相對較短的DCI應用，相干的400 G則將為其他的數(shù)據(jù)中心間連接拓展覆蓋范圍。

光端機形狀系數(shù)

　　對于100 G的數(shù)據(jù)中心應用來說，業(yè)界采用了QSFP28(四分之一小形狀系數(shù)可插拔)收發(fā)模塊。由于業(yè)界正在為從100 G過渡到400 G進行準備，多種新興的 MSA 形狀系數(shù)都在參與競爭，希望爭得一席之地。其中一個領先的選項就是QSFP-DD(四分之一小形狀系數(shù)可插拔雙密度)，這一選項衍生自QSFP28，數(shù)據(jù)的電氣連接性能高出2倍，而機械長度稍長一些，保留了與QSFP28的兼容性。QSFP-DD收發(fā)模塊與線纜籠改進了熱設計，支持12瓦以上的功率耗散。

　　另一個競爭對手是OSFP(八進制小形狀系數(shù)可插拔)光端機，與QSFP-DD接口相比，這一光端機的尺寸稍大一些也稍長一些。OSFP模塊的主要優(yōu)勢在于形狀系數(shù)較大，這樣可實現(xiàn)更高的功率耗散，達到16瓦。不利之處則是缺少與 QSFP28 的向下的兼容性，而且尺寸稍大，降低了面板信息點的密度。

　　第三種MSA稱為COBO(板載光學元件聯(lián)盟)，定義了一種脫離開系統(tǒng)面板信息點而直接配置在系統(tǒng)印刷電路板上的電氣接口。這種配置的優(yōu)勢在于可以靈活的放置收發(fā)模塊，使其更加接近速度更高的開關集成電路接口，便于處理信號完整性上的問題。由于COBO收發(fā)模塊安裝在二維的印刷電路板表面，還可以為散熱器的實施提供更多的空間，從而潛在的為提高功率耗散的額定值而提供支持。

　　對于以快速的步伐進行大力投入、從而跟上技術發(fā)展與服務創(chuàng)新的潮流的主要的網(wǎng)絡公司來說，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心正在迅速的成為一種關鍵的基礎設施。在世界各地的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心內(nèi)，對速度更快的電氣與光學信號技術的開發(fā)工作將繼續(xù)加速大規(guī)模的數(shù)據(jù)聚合。100 G和400 G光學技術的最新發(fā)展可以促成廣泛而又高效的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心連接解決方案，為內(nèi)容日益豐富的數(shù)據(jù)密集型應用提供大力支持。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第8期第27頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。