Come utilizzare le interconnessioni ottiche per ottimizzare le prestazioni dei data center

La necessità di interconnessioni in fibra ottica ad alta velocità, basso consumo e robuste è in aumento per supportare comunicazioni affidabili e a bassa latenza nel cloud e in altri data center. I transceiver in fibra ottica possono essere ottimizzati per soddisfare le esigenze specifiche dei data center per velocità di trasmissione fino a 400 Gbps. Gli standard più importanti dei moduli per le comunicazioni in fibra ottica nei data center sono SPF (Small Form Factor Pluggable), SPF+ e QSFP (Quad Small Form-Factor Pluggable). Una delle differenze tra SPF, SPF+ e QSPF è la velocità nominale di trasmissione. Tuttavia, questo è solo uno dei fattori da prendere in considerazione nella scelta di un transceiver; occorre valutare il consumo energetico e la gestione termica, la distanza di trasmissione richiesta, l'intervallo della temperatura di funzionamento, la diagnostica integrata e altri fattori. Inoltre, gli ingegneri di rete hanno bisogno di un modo efficace per testare la portata di trasmissione e la sensibilità del ricevitore dei transceiver ottici.

Questo articolo inizia con una rassegna delle considerazioni importanti nella scelta dei transceiver in fibra ottica, confronta le opzioni di interfaccia hardware fornite da SPF, SPF+, QSFP e QSFP-DD (doppia densità) e presenta i moduli transceiver di Intel Silicon Photonics, II-VI e Cisco Systems. Si conclude con un'analisi dei dispositivi in fibra ottica, tra cui un modulo di loopback di ColorChip per i dispositivi da 400 Gbps e una scheda di valutazione di Multilane per i transceiver da 800 Gbps di prossima generazione.

Monomodale o multimodale

Le fibre ottiche per la comunicazione dati sono costituite da un nucleo di vetro racchiuso in un rivestimento di vetro, ciascuno con diversi indici di rifrazione. Le tipiche fibre multimodali (MM) hanno un nucleo di 50 μm e funzionano a lunghezze d'onda comprese tra 750 e 850 nm, mentre le fibre monomodali (SM) hanno un nucleo di 9 μm e funzionano tipicamente a lunghezze d'onda comprese tra 1310 e 1550 nm. Nel caso delle fibre MM, la lunghezza d'onda della luce è inferiore alla lunghezza d'onda di taglio, da cui consegue che la luce si propaga lungo la fibra in modalità multiple. Il nucleo più piccolo della fibra SM può propagare solo una modalità per una determinata lunghezza d'onda (Figura 1).

Figura 1: Il nucleo piccolo delle fibre SM limita la loro capacità di trasmettere la luce in più di una modalità. (Immagine per gentile concessione di Cisco)

La dispersione modale e il rumore modale limitano la larghezza di banda delle fibre MM rispetto alle fibre SM che non sono soggette a questi effetti. Inoltre, le fibre SM possono supportare distanze di trasmissione molto maggiori rispetto alle fibre MM. La trasmissione ottica dei dati si ottiene utilizzando una lunghezza d'onda diversa per ogni direzione della comunicazione. Ad esempio, un set di transceiver ottici utilizza una combinazione di lunghezze d'onda di 1330 nm e 1270 nm. Uno dei transceiver trasmette un segnale a 1330 nm e ne riceve uno a 1270 nm, mentre l'altro trasmette un segnale a 1270 nm e ne riceve uno a 1330 (Figura 2).

Figura 2: I transceiver ottici utilizzano lunghezze d'onda diverse per trasmettere e ricevere dati. (Immagine per gentile concessione di Cisco)

Costi energetici e termici

Gli operatori dei data center sono sensibili ai costi energetici e termici. Sebbene il doppino intrecciato non schermato (UTP) per il cablaggio delle comunicazioni dati sia economico, un transceiver UTP può consumare circa 5 W di potenza rispetto a 1 W o meno richiesto da un transceiver in fibra.

Il calore aggiuntivo generato dai transceiver UTP deve essere rimosso dal data center, aumentando il costo energetico complessivo di quasi dieci volte. Ad eccezione delle tratte molto brevi e delle basse velocità di trasmissione dati, i transceiver in fibra sono quasi sempre meno costosi in termini di costi operativi totali rispetto alle soluzioni UTP.

I cavi UTP hanno anche un diametro maggiore rispetto ai cavi in fibra. Possono essere troppo grandi per alcune canaline installate sotto il pavimento nei data center ad alta densità. Inoltre, per i cavi Cat 6A che trasmettono a 10 Gbps, la diafonia tra i cavi UTP può essere difficile da gestire. La fibra MM utilizza transceiver a basso costo, ma il cablaggio è più costoso quando si utilizzano ottiche parallele per le trasmissioni a 40 o 100 Gbps. Con l'aumento della velocità di trasmissione dati, la fibra SM può offrire la migliore combinazione di basso consumo, basso costo e dimensioni compatte.

Scelta dell'intervallo di temperatura

I data center si trovano in vari ambienti, da strutture dedicate a ripostigli in uffici, magazzini e fabbriche. I transceiver in fibra ottica sono disponibili in tre intervalli di temperatura standard per soddisfare le esigenze di ambienti specifici:

• da 0 a +70 °C, chiamati C-temp o COM, progettati per ambienti commerciali e data center standard;
• da -5 a +85 °C, chiamati E-temp o EXT, per l'uso in ambienti più difficili;
• da -40 a +85 °C, chiamati I-temp o IND, per l'uso in installazioni industriali.

Un tipico transceiver ottico dovrebbe funzionare con un involucro di circa 20 gradi più caldo rispetto alla temperatura ambiente. laddove la temperatura ambiente supera i +50 °C o scende sotto i -20 °C, si utilizzano transceiver con classificazione IDN. Alcune applicazioni richiedono transceiver in grado di avviarsi a freddo. Durante il funzionamento con innesco a freddo, la rete può accedere alle interfacce I²C e altre interfacce a bassa velocità dei transceiver, ma il traffico di dati non inizia fino a quando la temperatura dell'involucro non raggiunge i -30 °C. Per garantire un funzionamento affidabile della rete, è importante monitorare la temperatura di funzionamento dei transceiver in fibra ottica.

Monitoraggio ottico digitale

Il monitoraggio ottico digitale (DOM), indicato anche come monitoraggio diagnostico digitale (DDM), è definito nel documento SFF-8472, parte delle specifiche Multi-Source Agreement (MSA) incentrate sul monitoraggio digitale dei transceiver in fibra ottica. Include le seguenti funzionalità:

• Temperatura di funzionamento del modulo di monitoraggio
• Tensione di funzionamento del modulo di monitoraggio
• Corrente di funzionamento del modulo di monitoraggio
• Monitoraggio della potenza ottica di trasmissione e ricezione
• Emissione di un allarme se i parametri superano i livelli di sicurezza
• Fornitura a richiesta delle informazioni sulla fabbrica produttrice del modulo

DOM, come specificato da SFF-8472, definisce gli indicatori di allarme o le condizioni di allarme specifiche. DOM aiuta gli amministratori di rete a monitorare le prestazioni dei moduli e a identificare quelli che potrebbero necessitare di sostituzione prima che si guastino.

I moduli transceiver ottici fino a 100 Gbps sono gestiti tramite un'interfaccia di controllo I²C utilizzando un sistema di comandi di base con mappatura in memoria definito da SFF 8636. I moduli a velocità più elevata sono più complessi da gestire a causa dell'inclusione di interfacce PAM-4 che richiedono un'equalizzazione complessa. La Common Management Interface Specification (CMIS) è stata sviluppata per sostituire o integrare SFF-8472/8636 nei moduli ad alta velocità.

Fattori di forma e schemi di modulazione

I transceiver SFP sono disponibili per reti in rame e in fibra. L'uso dei moduli SFP consente di popolare le singole porte di comunicazione con diversi tipi di transceiver. Il fattore di forma SFP e l'interfaccia elettrica sono specificati in MSA. Un transceiver SFP di base può supportare velocità di trasmissione dati fino a 4 Gbps per Fibre Channel. La nuova specifica SFP+ supporta fino a 10 Gbps, mentre la più recente specifica SFP28 supporta fino a 25 Gbps.

Il transceiver QSFP, di dimensioni maggiori, supporta velocità di trasmissione quattro volte superiori rispetto alle unità SFP corrispondenti. La variante QSFP28 offre fino a 100 Gbps, mentre QSFP56 raddoppia la velocità a 200 Gbps. Un transceiver QSFP integra quattro canali di trasmissione e quattro canali di ricezione, "28" significa che ogni canale può supportare velocità di trasmissione dati fino a 28 Gbps; di conseguenza, un QSFP28 può supportare una configurazione 4 x 25 Gbps (breakout), 2 x 50 Gbps breakout o 1 x 100 Gbps, a seconda del transceiver. Poiché le porte QSFP sono più grandi delle SFP, sono disponibili adattatori che consentono di inserire un transceiver SFP in una porta QSFP.

L'ultima variante è QSFP-DD che raddoppia il numero di interfacce rispetto a un normale modulo QSFP28. Inoltre, la nuova specifica include il supporto per la modulazione modulazione dell'ampiezza d'impulso 4 (PAM4) che può fornire 50 Gbps, per un ulteriore raddoppio della velocità di trasmissione e un aumento complessivo di 4 volte della velocità della porta rispetto a un modulo QSFP28.

La tradizionale modulazione di non ritorno a zero (NRZ) utilizzata nei transceiver in fibra modula l'intensità della luce a due livelli. PAM utilizza quattro livelli di intensità luminosa per codificare due bit in ogni periodo di impulso ottico anziché uno, consentendo di raddoppiare i dati nella stessa larghezza di banda (Figura 3).

Figura 3: Le trasmissioni PAM4 più complesse trasportano molti più dati rispetto a NRZ. (Immagine per gentile concessione di Cisco)

QSFP-DD per grandi data center

I progettisti di cloud e data center aziendali su larga scala possono rivolgersi al transceiver ottico QSFP-DD SPTSHP3PMCDF di Intel Silicon Photonics. Questo modulo ha una capacità di trasmissione di 2 km, è specificato per il funzionamento da 0 a +70 °C e supporta collegamenti ottici da 400 Gbps su fibra SM o quattro collegamenti ottici da 100 Gbps per applicazioni breakout (Figura 4). Le caratteristiche del transceiver QSFP-DD comprendono:

• Conformità alle specifiche dell'interfaccia ottica 4 x 100 Gbps Lambda MSA e allo standard dell'interfaccia ottica IEEE 400GBASE-DR4
• Conformità allo standard di interfaccia elettrica IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8)
• Conformità allo standard di interfaccia di gestione CMIS con diagnostica e controllo completi del modulo tramite I²C

Figura 4: Questo transceiver QSFP-DD ha una portata di 2 km. (Immagine per gentile concessione di Intel)

SFP+ multimodale

Il transceiver ottico SFP+ FTLF8538P5BCz di II-VI ha funzioni DDM integrate ed è progettato per l'uso con velocità di trasmissione dati di 25 Gbps su fibra MM (Figura 5). È progettato per funzionare da 0 a +70 °C. Le altre caratteristiche includono:

• Trasmettitore laser a cavità verticale a emissione superficiale (VCSEL) da 850 nm
• 100 m di trasmissione su cavo 50/125 μm OM4, M5F MMF
• 70 m di trasmissione su cavo 50/125 μm OM3, M5E MMF
• Tasso degli errori di bit (BER) 1E-12 su 30 m con cavo OM3 e 40 m con cavo OM4
• 1 W max di consumo energetico

Figura 5: Questo transceiver SFP+ è classificato per 25 Gbps e utilizza la fibra MM. (Immagine per gentile concessione di II-VI)

SPF monomodale

SFP-10G-BXD-I e SFP-10G-BXU-I di Cisco funzionano con fibra SM che supporta distanze di trasmissione fino a 10 km. Un modulo SFP-10G-BXD-I è sempre collegato a un modulo SFP-10G-BXU-I. SFP-10G-BXD-I trasmette a una lunghezza d'onda di 1330 nm e riceve un segnale a 1270 nm, mentre SFP-10G-BXU-I trasmette a una lunghezza d'onda di 1270 nm e riceve un segnale a 1330 nm. Questi transceiver includono anche funzioni DOM che monitorano le prestazioni in tempo reale.

Loopback per i test

Tecnici e ingegneri di rete possono utilizzare loopback in fibra ottica e moduli di loopback per testare la capacità di trasmissione e la sensibilità del ricevitore delle apparecchiature di rete ottiche. ColorChip offre un modulo di loopback che supporta scenari di utilizzo elevato con 2000 cicli da -40 a +85 °C (Figura 6). Questo modulo di loopback include un consumo energetico multiplo definito da software per emulare la potenza del modulo ottico e le caratteristiche di perdita di inserzione embedded che emulano il cablaggio reale per 200/400G Ethernet, Infiniband e Fibre Channel. La protezione integrata contro le sovracorrenti transitorie riduce il rischio di danneggiare il dispositivo testato. Gli utilizzi di questo modulo di loopback includono il test delle porte, il test dell'implementazione sul campo e la risoluzione dei problemi delle apparecchiature.

Figura 6: Questo modulo di loopback è progettato per testare le prestazioni dei transceiver ottici. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Kit di sviluppo QSFP da 800 Gbps

Per gli ingegneri di rete che si preparano alla prossima generazione di transceiver 800 Gbps, Multilane offre ML4062-MCB, una piattaforma efficiente e intuitiva per programmare e testare transceiver QSFP-DD800 e cavi ottici attivi (Figura 7). L'interfaccia grafica supporta tutte le funzioni definite da QSFP-DD MSA e semplifica il processo di configurazione. Può essere utilizzato per simulare un ambiente reale per il test, la caratterizzazione e la produzione di moduli transceiver QSFP-DD ed è conforme alle specifiche OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 e OIF-CEI-56G-VSR-NRZ.

Figura 7: Questa piattaforma di sviluppo è progettata per l'uso con transceiver da 800 Gbps di prossima generazione. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Conclusione

I transceiver in fibra ottica soddisfano le esigenze degli ingegneri di rete dei data center alla ricerca di soluzioni ad alta velocità, compatte e a basso consumo. Questi transceiver sono disponibili in vari formati e in tre intervalli della temperatura di funzionamento standard, con fibre SM o MM. I moduli di loopback possono essere utilizzati per convalidare le prestazioni degli elementi di rete in fibra ottica. Le piattaforme di sviluppo possono essere utilizzate per esplorare le capacità dei transceiver da 800 Gbps e spianare la strada alla prossima generazione di reti in fibra.