Znalost

1.400G, je to opravdu tady

Není to tak dávno, v březnu 2024, China Mobile otevřela první celosvětovou 400G plně optickou meziprovinční (Peking Vnitřní Mongolsko) dálkovou linku, což je považováno za důležitý milník.

Důvod upgradu páteřní sítě na 400G je zřejmý.

Na jedné straně stále pokračuje růst spotřebitelského internetového provozu, který přináší digitální život obyvatel (video ve vysokém rozlišení, telekonference, online živé vysílání, online hry atd.).

Na druhou stranu celé odvětví podporuje digitální transformaci a prudký nárůst provozu z průmyslových digitálních systémů zesílil tlak na páteřní sítě.

Náhlý nárůst tlaku na páteřní síť má na svědomí i klíčový důvod – exploze AI.

Po vzestupu velkého modelu AIGC to spustilo vlnu AI. Aby bylo možné uspokojit potřeby AI podnikání, je nutné vybudovat velké množství inteligentních výpočetních center. Model se vyvinul z miliard parametrů na biliony parametrů a cluster výpočetního výkonu GPU se také posunul z clusteru s tisíci kartami na cluster s deseti tisíci nebo dokonce se sto tisíci kartami.

Cluster výpočetního výkonu GPU je ve skutečnosti pole masivních karet GPU (servery GPU) propojených prostřednictvím vysoce výkonných sítí, jako jsou InfiniBand a RoCEv2. Má extrémně vysoké požadavky na výkon a spolehlivost sítě, což přímo ovlivňuje efektivitu školení a náklady.

Pokud jde o rychlost síťového portu samotných serverů GPU, již začal z jediného portu 400G a dokonce vyžaduje 800G nebo vyšší.

Síťové porty serverů GPU

Dříve patřily clustery výpočetního výkonu GPU do kategorie DCN (Data Center Network). Nyní, s neustálým rozšiřováním velikosti clusteru, jsme začali uvažovat o použití distribuovaných inteligentních výpočetních center pro modelování.

To znamená, že pro školení bude společně využíváno několik inteligentních výpočetních center na různých místech.

To klade vyšší požadavky na DCI (Data Center Interconnection Network) a páteřní optická komunikační síť musí být schopna tento požadavek z hlediska technického výkonu splnit.

Strategie naší země v oblasti výpočetní síly se stále drží myšlenky „národní koordinace a celkového uspořádání“. Od února 2022 zahájila Čína projekt East West Computing Project s cílem vytvořit celostátní integrovaný systém výpočetní energie.

Zjednodušeně řečeno, na jedné straně potřebujeme vybudovat velké množství datových center (ekvivalent elektráren) a na druhé straně také potřebujeme vybudovat robustní páteřní přenosovou síť (ekvivalent energetické sítě) pro distribuci tento výpočetní výkon a splňují potřeby různých průmyslových odvětví.

Jak bylo dosaženo 400G?

Současná optická komunikační páteřní síť, jako základ celé digitální společnosti, musí mít několik charakteristik, jako je ultra velká šířka pásma (400G, budoucí 800G nebo dokonce 1,6T), ultra nízká latence (multi-level latence circle), ultra velká škálovatelné sítě (obsluhující distribuované výpočty a AI clustery zmíněné výše), mimořádně vysoká stabilita, mimořádně vysoká spolehlivost, mimořádně vysoké zabezpečení, mimořádně flexibilní nasazení, inteligentní řízení provozu a údržby, atd.

Dnes budeme hovořit hlavně o nejdůležitější šířce pásma rychlosti.

Vývoj optických komunikačních technologií až do současnosti, aby bylo dosaženo zlepšení rychlosti, není nic jiného, ​​než se zaměřit na následující aspekty:

Za prvé je to přenosová rychlost.

Přenosová rychlost, také známá jako bitová rychlost, je počet bitů přenesených za jednotku času, měřený v bitech za sekundu.

Přenosová rychlost=přenosová rychlost vynásobená počtem binárních bitů odpovídajících jednomu stavu modulace.

Přenosová rychlost je počet symbolů přenesených za jednotku času. Čím vyšší je přenosová rychlost, tím více symbolů je přenášeno za sekundu a samozřejmě tím větší je množství informací, což vede ke zvýšení rychlosti.

Přenosová rychlost je určena schopnostmi optického zařízení. Čím pokročilejší je proces čipu zařízení, tím vyšší je přenosová rychlost a vyšší přenosová rychlost.

V současnosti se proces CMOS zvýšil z 16nm na 7nm a 5nm a přenosová rychlost se postupně zvyšovala z 30+GBaud na 64+GBaud, 90+GBaud a 128+ GBaud.

Současné 400G je komerčně dostupné díky přenosové rychlosti dosahující 128Gbaud.

Podívejme se ještě na modulační metodu.

„Binární číslice odpovídající jednomu modulačnímu stavu“ ve vzorci jsou právě určeny modulační metodou.

Modulační schémata technologie 400G v současnosti zahrnují především 16QAM, 16QAM-PCS (PCS je technologie tvarování pravděpodobnosti, která bude podrobně představena příště) a QPSK, která jsou vhodná pro různé aplikační scénáře.

Optická komunikace se od bezdrátové komunikace liší v tom, že se slepě nesnaží o modulaci vyššího řádu.

Čím nižší je řád modulace, tím nižší jsou požadavky na vedení a tím nižší jsou náklady na výstavbu sítě. Takže v rané fázi návrhu dálkových páteřních sítí se pozornost soustředila v podstatě na 16QAM a QPSK. Později se do soutěže zapojil i 16QAM-PCS.

Dříve nebyla žádná zmínka o „Výpočtu východu a západu“ a operátoři věřili, že 400G nebude vyžadovat přenos na příliš dlouhou vzdálenost. Proto je přijetí zařízení s nízkou přenosovou rychlostí s vyspělejší technologií a nižšími cenami v kombinaci s 16QAM s vyšším řádem modulace hlavním názorem v tomto odvětví.

Později, jednak kvůli zvyšujícím se požadavkům na přenosovou vzdálenost, vzrostla z více než 1000 km na několik tisíc km. Na druhou stranu zařízení s přenosovou rychlostí 128 GBaud rychle dozrála (ve scénáři DCN 800G rychle vzrostlo, stimulovalo a podporovalo průmyslový řetězec), což vytvořilo podmínky pro to, aby společnost QPSK vynikla.

QPSK má vyšší toleranci pro nelinearitu a může vhodně zvýšit vstupní výkon ve srovnání s 16QAM-PCS. Za druhé, back-to-back OSNR práh QPSK je optimalizován ve srovnání s 16QAM-PCS. Kromě toho nastavení odstupu kanálů QPSK na 150 GHz zajišťuje téměř žádné náklady na filtrování během přenosu.

Tyto výhody postupně učinily z QPSK preferovanou volbu pro páteřní sítě a DCI.

Hrubé srovnání tří možností

Nyní jsou první dvě možnosti běžněji zvažovány pro městské nebo provinční aplikace.

Za třetí je to rozšíření frekvenčního pásma.

Přenosová rychlost a modulace ovlivňují hlavně rychlost jedné vlny. Kabel z optických vláken může mít více vln, pokud je spektrální rozsah dostatečně velký.

Šířka pásma jedné vlny x vlnové číslo jednoho vlákna=šířka pásma jednoho vlákna.

Jak je uvedeno v předchozí tabulce, kanálová rozteč QPSK 400G dosahuje 150 GHz. Tradiční C-pásmo i rozšířené C-pásmo nestačí k uspokojení poptávky po šířce pásma spektra.

Postupně se tedy přijímá metoda C6T+L6T s celkovou šířkou pásma spektra 12THz. Vypočítejte, s 80 vlnami a jednou vlnou 400G je celková kapacita jednoho vlákna 32T. Pokud obětujeme určitou vzdálenost a použijeme ji k úspoře nákladů, nasazení QPSK nebo 16QAM-PCS může kapacitu ještě zvýšit a dosáhnout 48T.

Podrobný úvod do frekvenčních pásem naleznete zde: Jaká jsou frekvenční pásma pro optickou komunikaci?

Největší problém s rozšířením frekvenčního pásma je, zda jej zařízení podporuje a zda jsou náklady kontrolovatelné. Zde uvedená zařízení zahrnují ITLA, CDM, ICR, EDFA a WSS, která zahrnují přenos a příjem světla, stejně jako výměnu a zesílení optických cest.

Pokud jde o rozšíření pásma, je zde také problém, kterým je integrace.

Současné rozšíření pásma je vlastně spíše prostým vázáním dvou systémů (C a L). Dva systémy fungují nezávisle, vysílají prostřednictvím multiplexování a poté se rozdělí na opačném konci, přičemž každý pokračuje ve zpracování.

Pokud existují dva systémy, objem bude větší, spotřeba energie bude vyšší a konstrukce bude složitější. Průmysl tedy potřebuje prostudovat, jak integrovat zařízení a skutečně vytvořit systém, který podporuje různá rozšířená pásma současně. To znamená dosažení skutečné integrace.

Komunikace z optických vláken vyžaduje kromě optických modulů a zařízení také pozornost k optickým vláknům.

Současným hlavním proudem optických vláken je optická vlákna G.652D. 400G QPSK může také přenášet 1500 km na G.652D se zesílením EDFA.

Po letech ověřování průmysl identifikoval vlákno G.654E jako nového nástupce. Při použití výkonnějšího G.654E za stejných podmínek může být přenosová vzdálenost 400G QPSK zvýšena o více než 30 %.

G. Optický kabel 654E má schopnost výroby ve velkém měřítku a bude nasazen ve velkém měřítku na dálkových dálkových vedeních. G. Některá nízkoztrátová optická vlákna řady 654 se také stala preferovanou volbou pro přenos na dlouhé vzdálenosti přes oceány v podmořských kabelových systémech.

Kromě tradičních optických vláken. Průmysl také věří, že vícejádrová vlákna a dutá vlákna mají široké uplatnění.

Vícejádrové vlákno je typ multiplexování s prostorovým dělením, při kterém je do jednoho vlákna vloženo více jader vlákna a k výraznému zvýšení kapacity vlákna se používá několik režimů.

Kabely z dutých optických vláken jsou ještě působivější. Jednoduše vytvořte dutý kabel z optických vláken a nahraďte jádro ze skleněných vláken vzduchem.

Bylo prokázáno, že duté vlákno přináší větší kapacitu, nižší latenci, menší přenosové ztráty a ultra nízkou nelinearitu a je průmyslem široce považováno za jednu z nejslibnějších technologií v optické komunikaci.

Další krok pro 400G, 800G nebo 1,6T?

Po oficiálním komerčním měřítku 400G se celé odvětví zaměří na systém technických standardů nad 400G.

V průmyslu se stále intenzivně diskutuje, zda pokračovat s 800G, 1,2T, nebo 1,6T.

Pokud chcete dosáhnout vyšších rychlostí, musíte nadále pracovat na „modulační metodě+přenosové rychlosti“. 130 GBd, nebo ještě vyšší na 260 GBd, je nevyhnutelný směr. Vyšší přenosová rychlost znamená, že související zařízení musí držet krok a tvořit vyspělý průmyslový řetězec.

Nad 400G se již nemůžeme spoléhat na QPSK. Modulace 16QAM je v současné době široce uznávanou možností v průmyslu.

Dále je třeba rozšířit frekvenční pásmo. Na základě rozšíření C a L zvažte rozšíření na pásmo S, pásmo U, pásmo E atd. Pokud je to C+L+S, pak je to 12T+5T, čímž se dosáhne šířky pásma 17 THz.

Při kombinaci více faktorů může přenosová rychlost jednoho vlákna v jednom směru překročit 100 Tbps, což je hned za rohem.

V datovém centru je komerčně dostupné 800G (na základě přenosových rychlostí nad 100 GBd, jednokanálové 100G). Jednokanálové 200G, 400G, 800G, je to jen otázka času. V tomto ohledu je pokrok v zahraničí rychlejší.

S neustálým zvyšováním kapacity se zvyšují i ​​technologické výzvy, které přináší. Rozvoj optické komunikace, jinými slovy, spoléhá na zařízení, čipy, procesy a materiály.

Ke splnění výše zmíněných požadavků na spotřebu energie, zabezpečení, provoz a údržbu se také spoléhá na řadu inovací, jako jsou technologie, architektura, balení, umělá inteligence a digitální dvojčata. Na začátku a na konci průmyslového řetězce je ještě potřeba udělat hodně práce. Cesta před námi je ještě dlouhá.