Moduli ottici in evoluzione per i data center di domani

I ricetrasmettitori ottici svolgono un ruolo chiave nei data center e la loro importanza continuerà a crescere poiché l'accesso ai server e le interconnessioni switch-to-switch richiedono velocità sempre più elevate per soddisfare le crescenti richieste di larghezza di banda guidate dallo streaming video, dal cloud computing e dall'archiviazione o dalle applicazioni virtualizzazione. Oggi, i data center su larga scala dispongono in genere di porte di accesso 10G che si interfacciano con strutture di commutazione 40G, ma nel prossimo futuro le porte di accesso aumenteranno a 25G e le strutture di commutazione a 100G. Qui esaminiamo le sfide introdotte dalle applicazioni dei data center sui moduli ottici e descriviamo come il settore sta rispondendo per soddisfare la domanda.

Un singolo mega data center che ospita centinaia di migliaia di server interconnessi da una rete orizzontale altamente ridondante richiede un numero altrettanto elevato di collegamenti ottici. Poiché ciascun collegamento deve essere terminato su entrambe le estremità da un ricetrasmettitore ottico, il numero di ricetrasmettitori è almeno il doppio del numero di collegamenti ottici e può raggiungere numeri ancora più elevati se vengono utilizzate configurazioni di breakout ottico. Volumi così elevati possono portare a costi bassi per i ricetrasmettitori ottici, anche se questi moduli operano in prima linea con un'elevata velocità di trasmissione dati. Prezzi dell'ordine di 10$/Gbps per le tratte più lunghe fino a 1$/Gbps per le tratte più brevi sono stati proposti come una sfida ai fornitori, il che è chiaramente un obiettivo ambizioso dato che i prezzi attuali sono da 5 a 10 volte più alti, anche se a un livello più alto. velocità dati diverse o in uno spazio applicativo diverso.

Riduzioni dei costi di questo tipo sono difficili da ottenere apportando solo piccoli perfezionamenti ad approcci collaudati alla progettazione e alla produzione dei moduli. Specifiche meno rigide, come l'abbassamento della temperatura operativa massima, la riduzione dell'intervallo di temperatura operativa, la riduzione della durata di utilizzo del prodotto e la possibilità di utilizzare la correzione degli errori in avanti (FEC), sono esempi che possono aiutare a ridurre i costi dei moduli poiché consentono ai fornitori di moduli di adottare progetti a basso costo con livelli più elevati di integrazione ottica, imballaggio non ermetico, funzionamento non raffreddato o test semplificati.

Un fattore importante che determina le applicazioni dei moduli ottici è il fattore di forma. I data center odierni si sono consolidati attorno ai ricetrasmettitori nel fattore di forma SFP per l'accesso ai server e attorno ai ricetrasmettitori QSFP per le interconnessioni da switch a switch. I cavi in ​​rame ad attacco diretto (DAC) vengono generalmente utilizzati quando la distanza dalla porta di accesso è inferiore a 5 m, con moduli ottici o cavi ottici attivi (AOC) utilizzati per distanze più lunghe. Le porte di accesso 10G utilizzano moduli SFP+, ma passeranno a SFP28 quando la velocità di accesso aumenterà a 25G. L'accesso al server non richiede una distanza superiore a 100 m, quindi questi moduli sono generalmente limitati ai ricetrasmettitori basati su VCSEL che operano su fibra multimodale (MMF). Tuttavia, si prevede anche che l’ecosistema attorno alle corsie 25G verrà sfruttato in applicazioni come le reti aziendali di prossima generazione che stimoleranno la domanda di moduli SFP28 che operano su fibra monomodale (SMF) per distanze comprese tra 10 e 40 km.

Topologia di rete del Cloud Datacenter e percorso di aggiornamento previsto della velocità dati per l'accesso al server e la commutazione dell'infrastruttura.

I moduli QSFP accettano 4 corsie di ingresso elettrico e funzionano a 4 volte la velocità dati del modulo SFP corrispondente. Oggi, 40G QSFP+ è ampiamente utilizzato nelle strutture di commutazione dei data center. Esistono due schemi in qualche modo concorrenti per l'interfaccia ottica: fibra parallela monomodale (PSM) e multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (CWDM). PSM funziona su 8 cavi a nastro SMF, in cui ciascuna corsia ottica occupa una coppia di fibre duplex. Il PSM ha il vantaggio potenziale di un costo del modulo inferiore perché non è richiesto il multiplexing della lunghezza d'onda, ma i costi di cavi e connettori sono significativamente più alti rispetto al duplex, risultando in un impianto in fibra più costoso.

Quattro generazioni di ricetrasmettitori lato client collegabili 100G: CFP, CFP2, CFP4 e QSFP28 (da sinistra a destra).

CWDM opera su cablaggio SM duplex e utilizza il multiplexing a divisione di lunghezza d'onda per combinare 4 corsie in un'unica fibra. In questo caso lo standard Ethernet 40GBASE-LR4 esiste come specifica di riferimento per l'interfaccia ottica. Poiché le corsie viaggiano su un unico filamento di fibra, i collegamenti CWDM sono compatibili con la commutazione completamente ottica, che può essere utilizzata per la gestione e la riconfigurazione del traffico dei data center. Una sfida con i moduli CWDM è che il costo è generalmente più elevato rispetto al PSM a causa della necessità di componenti aggiuntivi come un multiplexer o demultiplexer ottico, ma è possibile ottenere riduzioni significative dei costi riducendo la distanza di trasmissione da 10 km (LR4) a 2 km (MR4). o LR4-Lite).