Des modules optiques évoluant pour les centres de données de demain

Les émetteurs-récepteurs optiques jouent un rôle clé dans les centres de données, et leur importance continuera de croître à mesure que l'accès aux serveurs et les interconnexions entre commutateurs nécessitent des vitesses de plus en plus élevées pour répondre aux demandes croissantes de bande passante générées par la vidéo en continu, le cloud computing et le stockage, ou les applications. virtualisation. Aujourd'hui, les centres de données à grande échelle ont généralement des ports d'accès 10G qui s'interfacent avec les matrices de commutation 40G, mais dans un avenir proche, les ports d'accès passeront à 25G et les matrices de commutation à 100G. Ici, nous passons en revue les défis introduits par les applications de centre de données sur les modules optiques et décrivons comment l'industrie réagit pour répondre à la demande.

Un seul méga centre de données qui abrite des centaines de milliers de serveurs interconnectés par un maillage horizontal hautement redondant nécessite un nombre tout aussi élevé de liaisons optiques. Étant donné que chaque liaison doit se terminer aux deux extrémités par un émetteur-récepteur optique, le nombre d'émetteurs-récepteurs est au moins le double du nombre de liaisons optiques et peut atteindre des nombres encore plus élevés si des configurations de dérivation optique sont utilisées. De tels volumes élevés peuvent générer des points à faible coût pour les émetteurs-récepteurs optiques, même si ces modules fonctionnent à la pointe du débit de données élevé. Des prix de l'ordre de 10 $/Gbps pour des portées plus longues jusqu'à 1 $/Gbps pour des portées plus courtes ont été présentés comme un défi pour les fournisseurs, ce qui est clairement un objectif ambitieux étant donné que les prix actuels sont 5x à 10x plus élevés, bien qu'à différents débits de données ou dans un espace d'application différent.

Il est difficile d'obtenir des réductions de coûts de cet ordre en n'apportant que des améliorations mineures à des approches éprouvées de conception et de fabrication de modules. Des spécifications assouplies, telles que l'abaissement de la température de fonctionnement maximale, la réduction de la plage de températures de fonctionnement, la réduction de la durée de vie du produit et l'autorisation de l'utilisation de la correction d'erreur directe (FEC), sont des exemples qui peuvent aider à réduire le coût du module car cela permet aux fournisseurs de modules d'adopter conceptions à moindre coût avec des niveaux d'intégration optique plus élevés, un conditionnement non hermétique, un fonctionnement non refroidi ou des tests simplifiés.

Un facteur important qui détermine les applications des modules optiques est le facteur de forme. Les centres de données d'aujourd'hui se sont regroupés autour d'émetteurs-récepteurs au format SFP pour l'accès au serveur et autour d'émetteurs-récepteurs QSFP pour les interconnexions entre commutateurs. Les câbles en cuivre à connexion directe (DAC) sont généralement utilisés lorsque la distance au port d'accès est inférieure à 5 m, avec des modules optiques ou des câbles optiques actifs (AOC) utilisés pour des portées plus longues. Les ports d'accès 10G utilisent des modules SFP+, mais ils passeront au SFP28 lorsque la vitesse d'accès passera à 25G. L'accès au serveur ne nécessite pas de portée au-delà de 100 m, de sorte que ces modules sont généralement limités aux émetteurs-récepteurs basés sur VCSEL fonctionnant sur fibre multimode (MMF). Cependant, on s'attend également à ce que l'écosystème autour des voies 25G soit exploité dans des applications telles que les réseaux d'entreprise de nouvelle génération qui stimuleront la demande de modules SFP28 fonctionnant sur fibre monomode (SMF) pour des portées de 10 à 40 km.

Topologie du réseau Cloud Datacenter et chemin de mise à niveau prévu du débit de données pour l'accès au serveur et la structure de commutation.

Les modules QSFP acceptent 4 voies d'entrée électrique et fonctionnent à 4 fois le débit de données du module SFP correspondant. Aujourd'hui, le QSFP+ 40G est largement déployé dans les structures de commutation des centres de données. Deux schémas quelque peu concurrents existent pour l'interface optique: la fibre monomode parallèle (PSM) et le multiplexage par répartition en longueur d'onde (CWDM). PSM fonctionne sur 8 câbles rubans SMF, où chaque voie optique occupe une paire de fibres duplex. Le PSM présente l'avantage potentiel d'un coût de module inférieur car aucun multiplexage de longueur d'onde n'est requis, mais les coûts de câble et de connecteur sont nettement plus élevés que le duplex, ce qui entraîne une installation de fibre plus coûteuse.

Quatre générations d'émetteurs-récepteurs côté client enfichables 100G : CFP, CFP2, CFP4 et QSFP28 (de gauche à droite).

CWDM fonctionne sur un câblage SM duplex et utilise le multiplexage par répartition en longueur d'onde pour combiner 4 voies dans une fibre. Ici, la norme Ethernet 40GBASE-LR4 existe comme spécification de référence pour l'interface optique. Étant donné que les voies se déplacent dans un seul brin de fibre, les liaisons CWDM sont compatibles avec la commutation tout optique, qui peut être utilisée pour la gestion et la reconfiguration du trafic du centre de données. Un défi avec les modules CWDM est que le coût est généralement plus élevé que le PSM en raison du besoin de composants supplémentaires tels qu'un multiplexeur ou un démultiplexeur optique, mais des réductions de coûts importantes peuvent être réalisées en réduisant la distance de transmission de 10 km (LR4) à 2 km (MR4 ou LR4-Lite).

Cela illustre une autre tendance liée aux centres de données, à savoir que presque toutes les longueurs de liaison sont inférieures à 2 km. Pour cette raison, les spécifications de la prochaine génération de modules QSFP qui fonctionnent à 100G (QSFP28) se sont concentrées sur des portées comprises entre 500 m et 2 km sur SMF. Les MSA CWDM4 et CLR4 sont basés sur la même grille de longueur d'onde que 40GBASE-LR4 mais augmentent la capacité à 100G (4x25G). Alternativement, le PSM4 MSA spécifie une interface 4x25G sur 500 m de câblage PSM. De tels modules QSFP28 seront déployés en grand nombre à mesure que les centres de données passeront des matrices de commutation 40G à 100G à partir de 2016. De plus, les modules QSFP28-LR4 seront nécessaires pour interfacer les commutateurs des centres de données avec les routeurs principaux qui nécessitent des interfaces compatibles Ethernet (100GBASE-LR4 ). Dans ce cas, comme pour le 40G, les versions à coût réduit optimisées pour 2 km devraient être très demandées.

Une mesure importante pour les commutateurs de centre de données est la bande passante du panneau avant, qui est la bande passante globale de tous les émetteurs-récepteurs pouvant tenir dans un matériel de commutation de 19" de large et 1RU de haut. La capacité de refroidir les modules par le flux d'air est une contrainte critique, cependant dans de nombreux cas, la densité des connexions électriques à l'émetteur-récepteur peut devenir un facteur limitant. Par conséquent, un commutateur commun peut généralement accueillir 32 ports QSFP sur le panneau avant. Si les ports sont QSFP+, la bande passante correspondante du panneau avant est de 1,28 Tbit/s ( 32 x 40G) Avec la mise à niveau vers QSFP28, cette bande passante passe à 3,2 Tbps.

Le chemin de mise à niveau après QSFP28 fait l'objet de discussions en cours. Les ASIC de commutation de nouvelle génération devraient avoir des vitesses de port natives de 50G et 128 ports, ce qui correspond à un débit net de 6,4 Tbps. Suivant la tendance 4x établie par 40G et 100G, cela implique le besoin de modules QSFP 200G ("QSFP56"). 32 ports QSFP56 sur le panneau avant se traduiraient par une bande passante du panneau avant de 6,4 Tbps. La difficulté avec ce chemin, cependant, est qu'il n'existe pas de norme Ethernet 200G. La discussion sur son besoin a récemment commencé, mais l'achèvement d'une norme serait plus tardif que l'Ethernet 400G, qui est déjà en cours.

Si des ports 400G sont supposés, un chemin alternatif vers la bande passante du panneau avant de 6,4 Tbps consiste à avoir moins de ports et un module optique plus grand. Un module plus grand que QSFP est déjà prévu pour les modules 400G de première génération, car le module doit accueillir soit 16 x 25G ou 8 x 50G voies d'entrée électrique, ce qui dépasse les 4 voies définies pour le QSFP. De plus, respecter la limite de puissance de 3,5 W des modules QSFP semble irréalisable pour certaines implémentations 400G. La norme de fibre monomode duplex de 2 km 400GBASE-FR8 est spécifiée avec 8 longueurs d'onde multiplexées modulées par 50G PAM4. C'est le double du nombre de voies optiques d'un module QSFP28-CWDM4, qui est déjà proche de la limite de 3,5 W. Des propositions de facteurs de forme plus grands pour 400G peuvent être anticipées par des groupes tels que le CFP MSA, qui a eu un grand succès en 100G avec CFP, CFP2 et CFP4. Une exigence clé dans ce cas sera que la taille permette au moins 16 ports sur le panneau avant (16 x 400G = 6,4T, et peut-être plus).

Si le maintien de la taille QSFP est important, la seule norme 400G appropriée actuellement en cours de développement est 400GBASE-DR4, qui spécifie 4 canaux optiques 100G PAM4 fonctionnant sur 500 m de câble PSM4. De plus, les implémentations PAM4 100G à 4 longueurs d'onde sur fibre SM duplex devraient être définies à l'avenir. Sur la base de ce qui a été démontré dans les modules QSFP28-CWDM4, le besoin de seulement 4 longueurs d'onde augmente la probabilité que les limites de puissance du QSFP puissent être respectées. Cependant, à moins qu'une interface électrique 4 x 100G ne devienne également disponible ("CDAUI-4"), le nombre de voies d'entrée électriques doit encore être augmenté à au moins 8. Cela nécessite une nouvelle définition de module, et diverses solutions sont actuellement envisagées. Parmi eux, il y a le dépassement des modules enfichables vers un nouveau paradigme basé sur l'optique embarquée (OBO). Les modules OBO ont l'avantage de rapprocher l'optique de l'ASIC, ce qui peut aider à augmenter l'intégrité du signal et à réduire la puissance en éliminant les resynchronisations. Le Consortium for On-Board Optics (COBO) a été récemment formé pour accélérer le développement de telles solutions et bénéficie du soutien d'au moins un grand fournisseur de centres de données. D'autres solutions sont également sur la table, comme celles proposées par le microQSFP MSA, qui vise à réaliser la fonction d'un QSFP dans une taille similaire à un SFP, résultant en une bande passante en face avant de 7,2 Tbps.

Exemple d'un réseau laser à émission de surface à lentille intégrée (LISEL) 4x25G pour optique embarquée 100G.

Les modules optiques sont essentiels à la construction des matrices de commutation des centres de données à grande échelle. La transition de 40G à 100G est imminente et plusieurs voies possibles existent pour la prochaine étape de l'évolution, qui sera probablement basée sur des interconnexions 200G ou 400G. De nouveaux concepts de modules optiques seront nécessaires, et les fournisseurs de modules optiques doivent travailler en étroite collaboration avec les fabricants d'équipements de réseau et les opérateurs de centres de données pour assurer le développement de solutions qui répondent aux futures exigences des centres de données en matière de coût et de puissance par gigabit.

Écrit par Kohichi Tamura, directeur du département d'ingénierie et de marketing d'Oclaro Japon