знание

1.400G, наистина е тук

Неотдавна, през март 2024 г., China Mobile откри първата в света 400G изцяло оптична междупровинциална (Пекин Вътрешна Монголия) магистрална линия, което се счита за важно крайъгълно събитие.

Причината за надграждането на опорната мрежа до 400G е очевидна.

От една страна, растежът на потребителския интернет трафик, донесен от цифровия живот на жителите (видео с висока разделителна способност, телеконференции, онлайн предавания на живо, онлайн игри и т.н.), все още продължава.

От друга страна, цялата индустрия насърчава дигиталната трансформация и нарастването на трафика от индустриалните цифрови системи засили натиска върху опорните мрежи.

Внезапното увеличаване на натиска върху опорната мрежа се дължи и на ключова причина - експлозията на AI.

След възхода на големия модел AIGC, той предизвика вълна от AI. За да се отговори на нуждите на AI бизнеса, е необходимо да се изградят голям брой интелигентни изчислителни центрове. Моделът е еволюирал от милиарди параметри до трилиони параметри, а клъстерът на изчислителната мощност на GPU също се е преместил от клъстер от хиляда карти до клъстер от десет хиляди карти или дори клъстер от сто хиляди карти.

GPU изчислителен мощен клъстер всъщност е масив от масивни GPU карти (GPU сървъри), свързани заедно чрез високопроизводителни мрежи като InfiniBand и RoCEv2. Той има изключително високи изисквания за производителност и надеждност на мрежата, което пряко влияе върху ефективността и цената на обучението.

По отношение на скоростта на мрежовия порт само на GPU сървърите, той вече е започнал от един порт от 400G и дори изисква 800G или по-висока.

Мрежови портове на GPU сървъри

Преди това клъстерите за изчислителна мощност на GPU принадлежаха към категорията DCN (мрежа от центрове за данни). Сега, с непрекъснатото разширяване на размера на клъстера, ние започнахме да обмисляме прилагането на разпределени интелигентни изчислителни центрове за моделиране на обучение.

Тоест няколко интелигентни изчислителни центъра на различни места ще бъдат използвани заедно за обучение.

Това поставя по-високи изисквания за DCI (мрежа за взаимно свързване на центрове за данни) и оптичната комуникационна опорна мрежа трябва да може да отговори на това изискване по отношение на технически характеристики.

Стратегията на страната ни в изчислителната мощ все още се придържа към идеята за "национална координация и цялостно оформление". Започвайки от февруари 2022 г., Китай стартира проекта East West Computing за създаване на национална интегрирана система за компютърна мощност.

Просто казано, от една страна, трябва да изградим голям брой центрове за данни (еквивалентни на електроцентрали), а от друга страна, ние също трябва да изградим стабилна опорна преносна мрежа (еквивалентна на електрическа мрежа), за да разпределим тази изчислителна мощност и отговаря на нуждите на различни индустрии.

Как бяха постигнати 400G?

Настоящата опорна оптична комуникационна мрежа, като основа на цялото дигитално общество, трябва да има множество характеристики като ултра голяма честотна лента (400G, бъдещи 800G или дори 1,6T), ултра ниска латентност (многостепенен кръг на латентност), ултра голяма мащабна мрежа (обслужваща разпределени изчисления и AI клъстери, споменати по-рано), ултра-висока стабилност, ултра-висока надеждност, ултра-висока сигурност, ултра-висока сигурност гъвкаво разгръщане, интелигентна работа и контрол на поддръжката и др.

Днес ще говорим основно за най-важната честотна лента на скоростта.

Развитието на оптичната комуникационна технология до наши дни, за да се постигне подобрение на скоростта, не е нищо друго освен да се съсредоточи върху следните аспекти:

Първо, има скорост на предаване.

Скоростта на предаване, известна още като побитова скорост, е броят на битовете, предавани за единица време, измерен в битове за секунда.

Побитова скорост=скорост на предаване, умножена по броя на двоичните битове, съответстващи на едно състояние на модулация.

Скоростта на предаване е броят на символите, предавани за единица време. Колкото по-висока е скоростта на предаване, толкова повече символи се предават в секунда и, разбира се, толкова по-голямо е количеството информация, което води до увеличаване на скоростта.

Скоростта на предаване се определя от капацитета на оптичното устройство. Колкото по-усъвършенстван е процесът на чипа на устройството, толкова по-висока е скоростта на предаване и по-високата скорост на предаване.

Понастоящем CMOS процесът се е увеличил от 16nm на 7nm и 5nm, а скоростта на предаване постепенно се е увеличила от 30+GBaud на 64+GBaud, 90+GBaud и 128+ GBaud.

Текущият 400G е наличен в търговската мрежа благодарение на неговата скорост на предаване, достигаща 128Gbaud.

Нека да разгледаме още веднъж метода на модулация.

„Двоичните цифри, съответстващи на едно състояние на модулация“ във формулата току-що се определят от метода на модулация.

Модулационните схеми на технологията 400G в момента включват главно 16QAM, 16QAM-PCS (PCS е технология за оформяне на вероятности, която ще бъде представена в подробности следващия път) и QPSK, които са подходящи за различни сценарии на приложение.

Оптичната комуникация е различна от безжичната комуникация по това, че не преследва сляпо модулация от висок ред.

Колкото по-нисък е редът на модулация, толкова по-ниски са изискванията към линията и толкова по-ниски са разходите за изграждане на мрежата. И така, в ранния етап на проектиране на опорни мрежи на дълги разстояния фокусът беше основно върху 16QAM и QPSK. По-късно 16QAM-PCS също се присъедини към състезанието.

Преди това не се споменаваше „Изчисляване на изток-запад“ и операторите вярваха, че 400G няма да изисква предаване на твърде дълги разстояния. Следователно приемането на устройства с ниска скорост на предаване с по-зряла технология и по-ниски цени, комбинирани с 16QAM с по-висок ред на модулация, е основното мнение в индустрията.

По-късно, от една страна, поради нарастващите изисквания за разстояние на предаване, то се увеличи от над 1000 км до няколко хиляди км. От друга страна, устройствата със скорост на предаване от 128GBaud бързо се развиха (в сценария на DCN, 800G бързо се издигна, стимулирайки и популяризирайки индустриалната верига), създавайки условия QPSK да се открои.

QPSK има по-висок толеранс за нелинейност и може по подходящ начин да увеличи входната мощност в сравнение с 16QAM-PCS. На второ място, последователният праг на OSNR на QPSK е оптимизиран в сравнение с 16QAM-PCS. Освен това, настройването на каналното разстояние на QPSK на 150 GHz гарантира почти никакви разходи за филтриране по време на предаване.

Тези предимства постепенно превърнаха QPSK в предпочитания избор на индустрията за опорни мрежи и DCI.

Грубо сравнение на три варианта

Сега първите две опции се разглеждат по-често за градски или провинциални приложения.

Трето, това е разширяване на честотната лента.

Скоростта на предаване и модулацията засягат главно скоростта на единичната вълна. Оптичният кабел може да има множество вълни, стига спектралният диапазон да е достатъчно голям.

Ширина на честотната лента на единична вълна x вълново число на едно влакно=широчина на честотната лента на единично влакно.

Както е посочено в предишната таблица, каналното разстояние на QPSK 400G достига 150 GHz. И традиционната C-лента, и разширената C-лента са недостатъчни, за да отговорят на търсенето на честотна лента на спектъра.

И така, методът C6T+L6T постепенно се възприема с обща честотна лента на спектъра от 12THz. Изчислете, че с 80 вълни и една вълна от 400G, общият капацитет на едно влакно е 32T. Ако пожертваме известно разстояние и го използваме, за да спестим разходи, внедряването на QPSK или 16QAM-PCS може да увеличи още повече капацитета, достигайки 48T.

За подробно въведение в честотните ленти можете да видите тук: Какви са честотните ленти за оптична комуникация?

Най-големият проблем с разширяването на честотната лента е дали устройството може да го поддържа и дали цената може да се контролира. Устройствата, споменати тук, включват ITLA, CDM, ICR, EDFA и WSS, които включват предаване и приемане на светлина, както и обмен и усилване на оптични пътища.

Когато става дума за разширяване на лентата, има и проблем, който е интеграцията.

Текущото разширение на лентата всъщност е по-скоро като обикновено свързване на две системи (C и L). Две системи работят независимо, предават чрез мултиплексиране и след това се разделят в противоположния край, като всяка продължава да обработва.

Ако има две системи, обемът ще бъде по-голям, консумацията на енергия ще бъде по-висока и дизайнът ще бъде по-сложен. Така че индустрията трябва да проучи как да интегрира устройства и наистина да направи система, която поддържа различни разширени ленти едновременно. Тоест постигане на истинска интеграция.

Оптичната комуникация, освен оптичните модули и оборудване, изисква внимание и към оптичните влакна.

Настоящият масов оптичен кабел е оптичен G.652D. 400G QPSK може също да предава 1500 км на G.652D с EDFA усилване.

След години на проверка, индустрията идентифицира влакното G.654E като новия наследник. Ако се използва G.654E с по-добра производителност, при същите условия разстоянието на предаване на 400G QPSK може да се увеличи с повече от 30%.

Ж. Оптичният кабел 654E има възможност за широкомащабно производство и ще бъде разгърнат в големи мащаби по магистрални линии на дълги разстояния. G. Някои оптични влакна с ниски загуби от серия 654 също се превърнаха в предпочитан избор за предаване на дълги разстояния през океаните в подводни кабелни системи.

Освен традиционните оптични влакна. Индустрията също така вярва, че многоядрените влакна и кухите влакна имат широки перспективи за приложение.

Многоядреното влакно е вид мултиплексиране с пространствено разделяне, при което повече влакнести ядра се вмъкват в едно влакно и се използват няколко режима за значително увеличаване на капацитета на влакното.

Оптичните кабели с кухи влакна са още по-впечатляващи. Просто направете оптичния кабел кух и сменете сърцевината от стъклени влакна с въздух.

Доказано е, че кухите влакна осигуряват по-голям капацитет, по-ниска латентност, по-малки загуби при предаване и ултра ниска нелинейност и се считат за една от най-обещаващите технологии в оптичната комуникация от индустрията.

Следваща стъпка за 400G, 800G или 1.6T?

След официалния комерсиален мащаб от 400G, цялата индустрия ще се съсредоточи върху техническата стандартна система отвъд 400G.

Индустрията все още интензивно обсъжда дали да продължи с 800G, 1.2T или 1.6T.

Ако искате да постигнете по-високи скорости, трябва да продължите да работите върху "метод на модулация + скорост на предаване". 130GBd или дори по-високо при 260GBd е неизбежната посока. По-високата скорост на предаване означава, че свързаните устройства трябва да поддържат и формират зряла индустриална верига.

Отвъд 400G вече не можем да разчитаме на QPSK. 16QAM модулацията в момента е широко призната опция в индустрията.

Честотната лента също трябва да бъде допълнително разширена. Въз основа на разширяване на C и L, помислете за разширяване до S-лента, U-лента, E-лента и т.н. Ако е C+L+S, тогава е 12T+5T, постигайки честотна лента от 17THz.

С комбинацията от множество фактори, скоростта на предаване на едно влакно в една посока може да надхвърли 100Tbps, което е точно зад ъгъла.

В рамките на центъра за данни 800G (на базата на скорости на предаване над 100GBd, единичен канал 100G) се предлага в търговската мрежа. Единичен канал 200G, 400G, 800G, това е просто въпрос на време. В това отношение напредъкът е по-бърз в чужбина.

С непрекъснатото увеличаване на капацитета нарастват и технологичните предизвикателства, които той носи. Развитието на оптичната комуникация, с други думи, разчита на устройства, чипове, процеси и материали.

За да отговори на изискванията за консумация на енергия, сигурност, работа и поддръжка, споменати по-рано, той също разчита на серия от иновации като технология, архитектура, опаковка, изкуствен интелект и цифрови близнаци. Все още има много работа за вършене нагоре и надолу по веригата на индустриалната верига. Пътят напред е още дълъг.