Znanje

1.400G, stvarno je ovdje

Ne tako davno, u ožujku 2024., China Mobile otvorio je prvu svjetsku 400G potpuno optičku međuprovincijsku (Peking Inner Mongolia) magistralnu liniju, što se smatra važnom prekretnicom.

Razlog za nadogradnju okosnice mreže na 400G je očit.

S jedne strane, rast potrošačkog internetskog prometa koji donosi digitalni život stanovnika (video visoke razlučivosti, telekonferencije, online prijenos uživo, online igrice itd.) i dalje se nastavlja.

S druge strane, cijela industrija promiče digitalnu transformaciju, a porast prometa iz industrijskih digitalnih sustava pojačao je pritisak na okosnice mreža.

Nagli porast pritiska na okosnicu mreže također je posljedica ključnog razloga – eksplozije AI.

Nakon uspona velikog modela AIGC, pokrenuo je val AI. Kako bi se zadovoljile potrebe AI poslovanja, potrebno je izgraditi veliki broj inteligentnih računalnih centara. Model je evoluirao od milijardi parametara do trilijuna parametara, a klaster GPU računalne snage također se pomaknuo s klastera od tisuću kartica na klaster od deset tisuća kartica ili čak klaster od sto tisuća kartica.

GPU računalni klaster snage zapravo je niz masivnih GPU kartica (GPU poslužitelja) povezanih zajedno kroz mreže visokih performansi kao što su InfiniBand i RoCEv2. Ima izuzetno visoke zahtjeve za performanse i pouzdanost mreže, što izravno utječe na učinkovitost i troškove obuke.

Što se tiče brzine mrežnog priključka samo GPU poslužitelja, već je počeo s jednim priključkom od 400G, a čak zahtijeva 800G ili više.

Mrežni priključci GPU poslužitelja

Prethodno su klasteri GPU računalne snage pripadali kategoriji DCN (mreža podatkovnih centara). Sada, uz kontinuirano širenje veličine klastera, počeli smo razmatrati primjenu distribuiranih inteligentnih računalnih centara za modeliranje obuke.

Odnosno, za obuku će se zajedno koristiti nekoliko inteligentnih računalnih centara na različitim lokacijama.

Ovo postavlja veće zahtjeve za DCI (mrežu međusobnog povezivanja podatkovnih centara), a optička komunikacijska okosnica mreže mora biti u stanju ispuniti ovaj zahtjev u smislu tehničke izvedbe.

Strategija naše zemlje u računalnim snagama i dalje se drži ideje "nacionalne koordinacije i ukupnog rasporeda". Počevši od veljače 2022., Kina je pokrenula East West Computing Project za stvaranje nacionalnog integriranog sustava računalne energije.

Jednostavno rečeno, s jedne strane moramo izgraditi velik broj podatkovnih centara (ekvivalentno elektranama), as druge strane također moramo izgraditi robusnu okosnicu prijenosne mreže (ekvivalentno električnoj mreži) za distribuciju ovu računalnu snagu i zadovoljiti potrebe raznih industrija.

Kako je postignuto 400G?

Trenutna optička komunikacijska okosnica mreže, kao temelj cjelokupnog digitalnog društva, mora imati višestruke karakteristike kao što su ultra velika propusnost (400G, u budućnosti 800G ili čak 1,6T), ultraniska latencija (krug latencije na više razina), ultra velika skalirano umrežavanje (posluživanje distribuiranog računalstva i AI klastera spomenutih ranije), ultra-visoka stabilnost, ultra-visoka pouzdanost, ultra-visoka sigurnost, ultra-visoka sigurnost fleksibilna implementacija, inteligentni rad i kontrola održavanja, itd.

Danas ćemo uglavnom govoriti o najvažnijoj propusnosti brzine.

Razvoj optičke komunikacijske tehnologije do danas, kako bi se postiglo poboljšanje brzine, nije ništa drugo nego fokusiranje na sljedeće aspekte:

Prvo, tu je brzina prijenosa podataka.

Brzina prijenosa, također poznata kao brzina prijenosa, je broj bitova prenesenih po jedinici vremena, mjeren u bitovima po sekundi.

Bit rate=brzina prijenosa podataka pomnožena s brojem binarnih bitova koji odgovaraju jednom stanju modulacije.

Brzina prijenosa je broj simbola prenesenih po jedinici vremena. Što je veća brzina prijenosa podataka, to se više simbola prenosi u sekundi i, naravno, veća je količina informacija, što dovodi do povećanja brzine.

Brzina prijenosa podataka određena je sposobnošću optičkog uređaja. Što je proces čipa uređaja napredniji, to je veća brzina prijenosa podataka i veća brzina prijenosa podataka.

Trenutačno se CMOS proces povećao sa 16nm na 7nm i 5nm, a brzina prijenosa podataka postupno se povećala s 30+GBaud na 64+GBaud, 90+GBaud i 128+ GBaud.

Trenutačni 400G je komercijalno dostupan zahvaljujući brzini prijenosa podataka koja doseže 128Gbaud.

Pogledajmo još jednom metodu modulacije.

'Binarne znamenke koje odgovaraju jednom stanju modulacije' u formuli upravo su određene metodom modulacije.

Modulacijske sheme 400G tehnologije trenutno uglavnom uključuju 16QAM, 16QAM-PCS (PCS je tehnologija oblikovanja vjerojatnosti, koja će biti detaljno predstavljena sljedeći put) i QPSK, koji su prikladni za različite scenarije primjene.

Optička komunikacija razlikuje se od bežične komunikacije po tome što ne slijedi slijepo modulaciju visokog reda.

Što je niži redoslijed modulacije, niži su zahtjevi za liniju i niži su troškovi izgradnje mreže. Dakle, u ranoj fazi projektiranja međugradskih okosnih mreža, fokus je u osnovi bio na 16QAM i QPSK. Kasnije se konkurenciji pridružio i 16QAM-PCS.

Ranije se nije spominjao "East West Calculation", a operateri su vjerovali da 400G neće zahtijevati prijenos na prevelike udaljenosti. Stoga je usvajanje uređaja niske brzine prijenosa sa zrelijom tehnologijom i nižim cijenama, u kombinaciji s 16QAM s višim redoslijedom modulacije, glavno mišljenje u industriji.

Kasnije, s jedne strane, zbog sve većih zahtjeva za udaljenošću prijenosa, ona se povećala s preko 1000 km na nekoliko tisuća km. S druge strane, uređaji brzine prijenosa podataka od 128GBaud brzo su sazrijevali (u DCN scenariju, 800G je brzo porastao, stimulirajući i promovirajući lanac industrije), stvarajući uvjete da se QPSK istakne.

QPSK ima veću toleranciju na nelinearnost i može odgovarajuće povećati ulaznu snagu u usporedbi s 16QAM-PCS. Drugo, back-to-back OSNR prag QPSK je optimiziran u usporedbi s 16QAM-PCS. Nadalje, postavljanje razmaka kanala QPSK na 150GHz osigurava gotovo nikakve troškove filtriranja tijekom prijenosa.

Ove su prednosti postupno učinile QPSK preferiranim izborom industrije za okosnice mreža i DCI.

Gruba usporedba tri opcije

Sada se prve dvije opcije češće razmatraju za urbane ili pokrajinske primjene.

Treće, to je proširiti frekvencijski pojas.

Brzina prijenosa i modulacija uglavnom utječu na brzinu jednog vala. Optički kabel može imati više valova, sve dok je spektralni raspon dovoljno velik.

Širina pojasa jednog vala x valni broj jednog vlakna=širina pojasa jednog vlakna.

Kao što je navedeno u prethodnoj tablici, razmak kanala QPSK 400G doseže 150 GHz. I tradicionalni C-pojas i prošireni C-pojas nisu dovoljni da zadovolje potražnju za propusnošću spektra.

Dakle, metoda C6T+L6T postupno se usvaja, s ukupnom propusnošću spektra od 12THz. Izračunajte, s 80 valova i jednim valom od 400G, ukupni kapacitet jednog vlakna je 32T. Ako žrtvujemo dio udaljenosti i iskoristimo ga za uštedu troškova, implementacija QPSK ili 16QAM-PCS može još više povećati kapacitet, dosežući 48T.

Detaljan uvod u frekvencijske pojase možete vidjeti ovdje: Koji su frekvencijski pojasi za optičku komunikaciju?

Najveći problem kod proširenja frekvencijskog pojasa je može li uređaj to podržati i može li se trošak kontrolirati. Uređaji koji se ovdje spominju uključuju ITLA, CDM, ICR, EDFA i WSS, koji uključuju prijenos i primanje svjetlosti, kao i razmjenu i pojačanje optičkih puteva.

Kada je riječ o širenju benda, tu je i problem integracije, a to je integracija.

Trenutačno proširenje pojasa zapravo je više poput jednostavnog povezivanja dvaju sustava (C i L). Dva sustava rade neovisno, prenose kroz multipleksiranje, a zatim se dijele na suprotnom kraju, pri čemu svaki nastavlja s procesiranjem.

Ako postoje dva sustava, volumen će biti veći, potrošnja energije će biti veća, a dizajn će biti složeniji. Dakle, industrija mora proučiti kako integrirati uređaje i uistinu napraviti sustav koji podržava različite proširene pojaseve u isto vrijeme. Odnosno, postizanje istinske integracije.

Svjetlovodna komunikacija, osim optičkih modula i opreme, zahtijeva pažnju i na svjetlovodu.

Trenutačno glavno svjetlovodno vlakno je G.652D optičko vlakno. 400G QPSK također može odašiljati 1500 km na G.652D s EDFA pojačanjem.

Nakon godina provjere, industrija je identificirala G.654E vlakno kao novog nasljednika. Ako se koristi G.654E s boljim performansama, pod istim uvjetima, udaljenost prijenosa od 400G QPSK može se povećati za više od 30%.

G. Kabel od optičkih vlakana 654E ima sposobnost za proizvodnju velikih razmjera i bit će raspoređen na magistralnim vodovima na velikim udaljenostima. G. Neka optička vlakna s malim gubicima serije 654 također su postala preferirani izbor za prijenos na velike udaljenosti preko oceana u podmorskim kabelskim sustavima.

Osim tradicionalnih optičkih vlakana. Industrija također vjeruje da višejezgrena vlakna i šuplja vlakna imaju široke izglede za primjenu.

Vlakno s više jezgri je vrsta multipleksiranja s prostornom podjelom, u kojem je više jezgri vlakna umetnuto u jedno vlakno i nekoliko načina se koristi za značajno povećanje kapaciteta vlakna.

Kabeli sa šupljim optičkim vlaknima još su impresivniji. Jednostavno napravite šuplji optički kabel i zamijenite jezgru od staklenih vlakana zrakom.

Dokazano je da šuplja vlakna donose veći kapacitet, manju latenciju, manje gubitke u prijenosu i ultranisku nelinearnost, te se široko smatraju jednom od tehnologija koje najviše obećavaju u optičkoj komunikaciji u industriji.

Sljedeći korak za 400G, 800G ili 1.6T?

Nakon službene komercijalne ljestvice od 400G, cijela će se industrija usredotočiti na tehnički standardni sustav iznad 400G.

Industrija još uvijek intenzivno raspravlja hoće li nastaviti s 800G, 1.2T ili 1.6T.

Ako želite postići veće brzine, morate nastaviti raditi na "modulacijska metoda + brzina prijenosa podataka". 130 GBd, ili čak više od 260 GBd, neizbježan je smjer. Veća brzina prijenosa znači da povezani uređaji moraju pratiti i formirati zreli industrijski lanac.

Izvan 400G, više se ne možemo osloniti na QPSK. 16QAM modulacija trenutno je široko priznata opcija u industriji.

Frekvencijski pojas također treba dodatno proširiti. Na temelju proširenja C i L, razmislite o proširenju na S-pojas, U-pojas, E-pojas, itd. Ako je C+L+S, tada je 12T+5T, postižući propusnost od 17THz.

Uz kombinaciju više faktora, brzina prijenosa jednog vlakna u jednom smjeru može premašiti 100Tbps, što je pred vratima.

Unutar podatkovnog centra komercijalno je dostupan 800G (temeljen na brzinama prijenosa podataka iznad 100GBd, jednokanalni 100G). Jednokanalni 200G, 400G, 800G, samo je pitanje vremena. U tom pogledu u inozemstvu se napreduje brže.

Kontinuiranim povećanjem kapaciteta povećavaju se i tehnološki izazovi koje on donosi. Razvoj optičke komunikacije, drugim riječima, oslanja se na uređaje, čipove, procese i materijale.

Kako bi zadovoljio ranije spomenute zahtjeve potrošnje energije, sigurnosti, rada i održavanja, također se oslanja na niz inovacija kao što su tehnologija, arhitektura, pakiranje, umjetna inteligencija i digitalni blizanci. Predstoji još puno posla u uzvodnom i nizvodnom dijelu industrijskog lanca. Put pred nama još je dug.