Odabir između optičkog i električnog međusobnog povezivanja nije stvar proglašenja jedne tehnologije bržom ili naprednijom. Korisno inženjersko pitanje je gdje se svaki medij uklapa u potrebnu širinu pojasa, doseg, snagu, gustinu, latencije i{1}}okviru troškova životnog ciklusa.
Električne veze ostaju vrlo efikasne na kratkom dometu. Zapravo, trenutni OIF rad na tomeElektrični interfejsi klase 224 Gb/s-cilja aplikacije od čip-na-modula, čipa{2}}za-čipa i zadnje ploče/bakarnog-kabla. Optičke veze postaju sve uvjerljivije kako se povećavaju domet, ukupni propusni opseg i gustina kablova, posebno kada električni gubici i ekvilizacija počnu da troše više snage i dizajnerske margine.
Ovaj vodič upoređuje to dvoje na kompletnom-nivou veze i daje praktične primjere ukrštanja umjesto da se oslanja na jednu univerzalnu udaljenost.
Optički i električni interkonekt na prvi pogled
| Faktor | Electrical Interconnect | Optički interkonekt |
|---|---|---|
| Prenosni medij | PCB tragovi, stražnje ploče, twinax, upredeni par ili drugi provodljivi putevi | Višemodna vlakna, jednomodna{0}}modna vlakna ili fotonski talasovodi |
| Najpoznatija-snaga | Kratko-jednostavnost, zreli ekosistem i niska cijena komponenti | Visoki propusni opseg na dužem dometu, otpornost na elektromagnetske smetnje i visoka efikasnost{0}gustine kablova |
| Pritisak velike brzine{0}}a dosega | Gubitak, refleksije i preslušavanje rastu sa frekvencijom i dužinom kanala | Vlakna podržavaju-brzine veze iz centra za podatke-dohvata na mnogo veće udaljenosti |
| Kondicioniranje signala | Može zahtijevati ekvilizaciju, retajmere, napredne SerDes i materijale sa malim-gubicima | Zahtijeva E/O i O/E konverziju; mogu se koristiti retimirane ili linearne optičke arhitekture |
| EMI | Mora se upravljati | Optički prijenosni medij je imun na elektromagnetne smetnje |
| Snaga | Često vrlo efikasan na kratkom dometu; snaga može porasti kako se povećavaju izjednačavanje i ponavljanje vremena | Uključuje laser, modulator, prijemnik i pretvorbe; može dobiti prednost kada električni doseg postane skup u vatima po bitu |
| Isporuka struje | Konduktivna infrastruktura može prenositi energiju u odgovarajućoj arhitekturi | Sam optički put podataka ne isporučuje električnu energiju |
| Tipična implementacija | Unutrašnji paketi, ploče, šasije i kratki kablovi | Rack, red, cluster, data{0}}centar i linkovi sa dužim{1}}dohvatom; sve bliže računarstvu u naprednim arhitekturama |
Šta je električna interkonekcija?
Električna interkonekcija prenosi podatke kroz provodni kanal kao što je PCB trag, konektor, stražnja ploča ili bakarni kabel. Predajnik pokreće električni signal, a prijemnik rekonstruiše podatke nakon što signal prođe kroz kanal.
Električna signalizacija je zrela i sposobna za vrlo visoke performanse. Izazov je u tome što kanal ne ostaje jednako jednostavan za korištenje kako se povećava brzina trake i udaljenost. Slabljenje, diskontinuiteti impedanse, refleksije, preslušavanje i šum mogu zahtijevati jače izjednačavanje odašiljača, izjednačavanje prijemnika, korekciju greške naprijed, ponovno podešavanje vremena ili bolje materijale.
OIF-ov CEI-224G rad jasno ukazuje na to: električna energija nije sinonim za malu brzinu. Projekat CEI-224G-MR cilja na signalizaciju od 144 do 232 Gb/s preko do 500 mm PCB-a i jednog konektora, dok CEI-224G-LR cilja na isti opseg signalizacije na do 1000 mm stražnje ploče i čak dva konektora. To su namjerno kratki fizički kanali, ali izuzetno visoke lane rate.
Za konvencionalno mrežno kabliranje, bakar ostaje koristan tamo gdje instalirani interfejs i udaljenost odgovaraju njegovoj specifikaciji. Hengtong'sRaspon patch kablova kategorije 6je jedan primjer šireg bakrenog ekosistema koji se koristi za Ethernet povezivanje kratkog-dometa.
Šta je optička interkonekcija?
Optički interkonekt prenosi moduliranu svjetlost kroz vlakno ili fotonski valovod. Praktična veza obično uključuje električni interfejs, optički predajnik ili modulator, optički kanal, fotodetektor i elektroniku prijemnika:
Električni podaci → optički predajnik → optički kanal → optički prijemnik → električni podaci
Taj lanac konverzije je bitan. Sama vlakna imaju male gubitke i su imuna na EMI, ali kompletna optička veza i dalje troši energiju i dodaje složenost implementacije. Ispravno poređenje stoga nije bakarni kabl u odnosu na golo vlakno; to je jedna kompletna arhitektura-kanala-prijemnika u odnosu na drugu.
Implementacija se također mijenja s udaljenosti.Višemodno vlaknose široko koristi za optičke veze kratkog-dohvata, dokjedno-modno vlaknopodržava arhitekture-dosega i velikog{1}}kapaciteta. Na nivou opreme, optičke veze zavise od komponenti kao što subrzi{0}}optički primopredajnici i optičke komponente.
Šest razlika koje su važne u stvarnom dizajnu sistema
1. Širina pojasa i doseg moraju biti procijenjeni zajedno
Sam propusni opseg ne odlučuje o mediju. Električna traka vrlo velike{1}}brzine može dobro raditi na strogo kontroliranom kratkom kanalu, dok optika može održati visoku ukupnu širinu pojasa na mnogo većim udaljenostima.
Dvije porodice standarda ilustruju razliku u skali. OIF CEI-224G električni projekti adresiraju 144–232 Gb/s signalizaciju preko sub-kanala na ploči/zadnjoj ploči. Sa optičke strane, osnovne linije IEEE P802.3bs 400GbE uključuju 400GBASE-DR4 za najmanje 500 m jednomodnog-optičnog vlakna, 2 km single-mod{{17}opcijalnog vlakna i 10}kilometarski objektiv{10} jednomod{18{18}. Ovo nisu direktne zamjene -jedan za jedan, ali pokazuju zašto je univerzalna "prelazna udaljenost" varljiva: odgovor ovisi o generiranju interfejsa i klasi veze.
| Ilustrativna klasa interfejsa | Klasa{0}}podataka | Reach primjer | Šta ilustruje |
|---|---|---|---|
| OIF CEI{1}}224G-MR električna | 144–232 Gb/s signalizacija po traci | Do 500 mm PCB, do jednog konektora | Vrlo visoka brzina trake može ostati električna kada je doseg čvrsto ograničen |
| OIF CEI{1}}224G-LR električna | 144–232 Gb/s signalizacija po traci | Do 1000 mm stražnja ploča, do dva konektora | Električni doseg se može proširiti, ali se budžet kanala pažljivo kontrolira |
| IEEE 400GBASE-DR4 optički | 400 Gb/s agregat | Najmanje 500 m SMF | Visok ukupni propusni opseg preko-centra{1}}dohvata podataka |
| IEEE 400GbE optičke porodice | 400 Gb/s agregat | SMF ciljevi od 2 km i 10 km | Optički doseg seže daleko izvan klasa ploča i pasivnih{0}}bakarnih kanala |
TheIEEE P802.3bs osnovni sažetakje korisno kada dizajnerski tim treba povezati-cilj stope podataka sa stvarnom klasom dosega umjesto korištenja nejasnih fraza kao što su "velika brzina" ili "velika udaljenost."
2. Integritet signala postaje drugačiji problem
Električne veze moraju upravljati gubicima umetanja, povratnim gubicima, refleksijama, preslušavanjem i EMI. Brzi{1}}kanali često zavise od precizne kontrole impedancije, dizajna konektora, SerDes ekvilizacije i simulacije kanala.
Fiber uklanja nekoliko ovih električnih{0}}problema sa kanalima. Ne provodi električnu struju i nije osjetljiv na EMI na način na koji je bakar. To može biti odlučujuće u električnim bučnim okruženjima ili kada mnogo-kanala velike brzine mora proći kroz skučeni prostor.
Optika ne uklanja inženjersku složenost; menja kompleksnost. Optički dizajneri moraju upravljati integracijom lasera ili izvora, gubitkom spajanja, čistoćom konektora, poravnanjem, fotodetekcijom, termičkim ponašanjem i optičkim pakiranjem.
3. Snaga ima crossover, a ne univerzalnog pobjednika
Kratka električna veza može biti vrlo energetski{0}}efikasna jer izbjegava optičku konverziju. Međutim, kako električni kanal postaje tvrđi, možda će biti potrebno više ekvilizacije, ponovnog podešavanja ili aktivne kabelske elektronike. Optičke veze uvode vlastitu snagu lasera, modulatora i prijemnika.
Zato je energija po bitu korisnija od pitanja da li "vlakna koriste manje energije".OIF sistem-zahtjevi dobavljača za energetski{1}}efikasna sučeljadati korisne inženjerske ciljeve umjesto univerzalne tvrdnje: jedna prednja-optička-konekcija koristi slučaj za manje od 10 pJ/bit za optički mehanizam plus laser, dok-slučaj interkonekcije na stražnjoj strani cilja znatno ispod 4 pJ/bit. Ovo su projektni zahtjevi i ciljevi, a ne zajamčena mjerenja za svaki optički proizvod.
Isti dokument OIF-a također razdvaja skale implementacije: interkonekcije prednjeg-data-centara mogu se protezati otprilike 0–500 m, a ponekad i do 2 km; Međukonekcije stražnjih{5}}ubrzivača mogu se protezati do oko 300 m; a lokalne računarske interkonekcije su opisane u rasponu od 7-10 m. Ovo je praktičniji način razmišljanja o crossoveru od traženja jedne magične udaljenosti.
4. Latencija ovisi o cijeloj vezi
Optički se ne treba automatski tretirati kao opcija niže-kašnjenja. Propagacija je samo dio kašnjenja od-do-kraja. Optička veza može uključivati modulaciju, električnu-u-optičku konverziju, fotodetekciju, FEC i obradu prijemnika. Električna veza može uključivati serijalizaciju, ekvilizaciju, FEC i retajmere.
Ako je latencija ograničenje dizajna, uporedite punu putanju od predajnika do prijemnika, uključujući svaki retimer, DSP i FEC stupanj. Kraća fizička staza sa težim obradom može izgubiti u odnosu na duži put sa jednostavnijom putanjom podataka.
5. Gustina, masa kablova i protok vazduha postaju sistemska ograničenja
Na skali, pitanje nije samo koliko gigabita nosi jedna veza. To je koliko propusnog opsega može proći kroz prednju ploču, nosač kablova, stalak ili paket prekidača bez blokiranja protoka zraka ili konzumiranja prevelikog prostora za usmjeravanje.
Vlakna mogu nositi visoku ukupnu propusnost u relativno malom poprečnom{0}} presjeku kabla. Arhitekture paralelne{2}}optike također koriste više-konekciju sa vlaknima kao što je nprMPO/MTP proizvodi, koji su uobičajeni u kablovima centara-data{1}} velike gustine.
6. Promjene troškova kada pređete s cijene komponente na cijenu životnog ciklusa
Električne veze često pobjeđuju na početnoj cijeni komponenti na kratkom dometu. Optičke veze dodaju zahtjeve za primopredajnike, optičke interfejse i-upravljanje vlaknima. To ne znači da optika automatski ima nižu ukupnu cijenu na skali.
Korisno poređenje TCO bi trebalo da uključuje:
- cijena kabela, konektora i primopredajnika;
- retimer, AEC ili elektronika za{0}}uređivanje signala;
- napajanje prekidača i NIC porta;
- hlađenje povezano s elektronikom veze;
- gustina portova i ograničenja prednje ploče;
- napori za instalaciju i održavanje;
- cikluse nadogradnje i da li instalirani medij može podržati buduća sučelja.
Umjesto pretpostavke da jedan medij ima niži TCO, napravite poređenje oko stvarnog broja portova, dosega i očekivanog horizonta nadogradnje.
Kada je električno povezivanje obično bolji izbor
Električna povezanost se obično daje prednost kada je kanal fizički kratak, a odabrani električni interfejs ima ugodnu marginu integriteta-signala.
- Unutar paketa, ploče ili šasije:električne veze izbjegavaju nepotrebnu optičku konverziju i koriste ekosistem zrelog dizajna.
- Kratki kablovi sa utvrđenim standardom bakra:bakar može biti jednostavan, jeftin i lak za servisiranje.
- Snaga mora da putuje sa vezom:provodna infrastruktura je i dalje potrebna. Ako su za projekat potrebni i optički podaci i napajanje u jednoj konstrukciji kabla, afotoelektrični kompozitni kablmogu kombinovati vlakna i električne provodnike, ali sama optička vlakna ne prenose električnu energiju.
- Potrebna širina pojasa je udobno ispod granice električnog kanala:Dodavanje optike ne stvara vrijednost ako postojeća električna veza već ispunjava ciljeve dosega, snage i gustine.
Kada optička interkonekcija postane jači izbor
Slučaj za optiku jača kada se nekoliko ograničenja pojavljuje u isto vrijeme, a ne kada jedan broj prijeđe fiksni prag.
- Doseg se kreće od skale ploče/šasije prema skali za stalak, red ili{0}}centar podataka.
- Ukupni propusni opseg raste brže od raspoložive margine električnog kanala.
- Ponavljanje vremena, ekvilizacija ili aktivna bakarna elektronika troše neprihvatljiv dio budžeta za napajanje.
- EMI, preslušavanja ili ograničenja uzemljenja je teško upravljati.
- Gustoća priključaka, gustina kablova ili protok zraka postali su fizička granica dizajna.
- Očekuje se da će postrojenje za postavljanje kablova podržavati više budućih generacija brzih{0}}interfejsa.
Ovi uslovi su uobičajeni u-računanju visoke gustine ipovezivanje{0}} podatkovnog centra, gdje isti sistem može koristiti električne veze unutar servera i optičke veze između rekova ili komutacijskih slojeva.
Tačka ukrštanja: Koristite matricu dosega – širine opsega – snage
Ne postoji univerzalna udaljenost gdje bakar prestaje i počinje optika. Bolji pristup je klasificiranje veze prema fizičkoj skali, a zatim testiranje da li električna implementacija još uvijek ima marginu.
| Skala veze | Električno kućište | Kada optika dobije na težini |
|---|---|---|
| Paket/ploča, centimetara do cca 1 m | Obično jaka; OIF definira električne interfejse klase 112G- i 224G- posebno za ove kanale | Kada I/O gustina, energija po bitu ili paketu escape postaje primarno ograničenje |
| Unutarnji stalak / susjedni stalci, nekoliko metara | DAC, AEC i druge električne opcije mogu raditi u zavisnosti od interfejsa i budžeta za napajanje | Kada je teško skalirati ukupnu propusnost, masu kablova ili aktivnu{0}}snagu |
| Grozd/red, desetine do stotine metara | Izbor električne energije se smanjuje kako se doseg povećava | Optika je često favorizovana zbog gustine propusnog opsega, otpornosti na EMI i dometa |
| Prednji dio{0}}centra podataka, stotine metara do kilometara | Nije normalna domena brzih{0}}bakarnih interkonekcija | Optičke Ethernet porodice su dizajnirane za klase dometa 500 m, 2 km, 10 km i duže |
Posebno za AI/HPC, OIF-ovi energetski{0}}efikasni-zahtjevi za sučelje postavljaju prednje-pozadinske, pozadinske- i lokalne računarske veze u različite kategorije dosega i snage. Hengtongov vodič zabakar naspram vlakana u AI centrima podatakamože se koristiti kao nastavak-pri čitanju kada je odluka vezana za AI klaster arhitekturu, a ne za opće umrežavanje.
Optički i električni spojevi obično rade zajedno
Mnogi moderni sistemi su hibridni po dizajnu. Električna signalizacija ostaje efikasna u blizini procesora, memorije, prekidača ASIC-a i druge elektronike. Veza prelazi na optiku gdje udaljenost, gustina propusnog opsega ili pritisak{2}} integriteta signala opravdavaju konverziju.
Prelazna tačka se takođe pomera. OIF-ov ko-rad na pakovanju definiše 3,2 Tb/s ko-upakovani modul za Ethernet komutacijske aplikacije i cilja otprilike 140 Gb/s po milimetru rubnog propusnog opsega. Širi industrijski smjer je smanjenje dužine-električnog puta velike brzine između ASIC-a i optičkog motora umjesto potpunog eliminisanja električne signalizacije.
TheOIF 3.2T ko-ugovor o implementaciji pakovanjaje korisna referenca za razumijevanje zašto je "optičko nasuprot električnom" sve više pitanje arhitektonskog postavljanja.
Uobičajene zablude
"Optički je uvijek brži."
Ne. Optički ima velike prednosti u propusnosti i dosegu, ali performanse od-do-kraja također zavise od predajnika, prijemnika, DSP-a, FEC-a i protokola. Kratko električno sučelje može zadovoljiti iste zahtjeve aplikacije s manje faza konverzije.
"Optički uvijek troši manje energije."
Ne. Kratka električna veza može biti izuzetno efikasna. Optički postaje privlačniji kada kompletna električna implementacija zahtijeva značajnu ekvilizaciju, ponovno podešavanje vremena ili aktivnu kabelsku elektroniku. Uporedite pJ/bit za kompletnu vezu.
"Bakar je zastario."
Ne. OIF aktivno definira električne interfejse klase 224 Gb/s-za sisteme sljedeće{3}}generacije. Električne veze ostaju neophodne u blizini računara i unutar opreme.
"Optička interkonekcija znači samo vlakna."
Ne. Optička veza uključuje elektro-optičke komponente, ambalažu i elektroniku. Vlakno može biti dio sa-najmanjim gubicima u kanalu, ali nije cijeli sistem.
Često postavljana pitanja
Na kojoj udaljenosti treba zamijeniti električnu interkonekciju optičkom?
Ne postoji univerzalna udaljenost. Pri vrlo visokim brzinama traka, električni standardi se mogu optimizirati za kanale pod-ploče i stražnje ploče, dok optički Ethernet standardi podržavaju stotine metara ili kilometara. Odluka treba da kombinuje doseg, brzinu trake, ukupni propusni opseg, snagu, gustinu i cenu.
Je li optička interkonekcija bolja za AI podatkovne centre?
Često je važno za veze-smanjivanja i velike-veze, ali električne veze i dalje dominiraju mnogim kratkim vezama u blizini akceleratora i silikona prekidača. Trenutni zahtjevi OIF-a eksplicitno tretiraju front-, poleđinu-i lokalne računarske interkonekcije kao različite prostore dizajna.
Da li optička interkonekcija smanjuje kašnjenje?
Ne automatski. Optička propagacija je samo jedan dio latencije. Konverzija, DSP i FEC mogu biti važni koliko i medij. Uporedite punu putanju podataka.
Da li optička interkonekcija prenosi električnu energiju?
Optičko vlakno ne radi. Potreban je poseban provodnik. Hibridni ili fotoelektrični kompozitni kabl može postaviti optička vlakna i električne provodnike u istu konstrukciju kabla kada su potrebni i podaci i snaga.
Koja je najkorisnija metrika za poređenje snage?
Koristite kompletnu-energiju veze po bitu, zajedno sa ukupnom snagom porta i uticajem hlađenja. Sama komponentna snaga može sakriti troškove retajmera, DSP-a, lasera ili aktivne kablovske elektronike negdje drugdje na putu.
Hoće li zajedno{0}}upakovana optika zamijeniti utičnicu i električne interkonekcije?
Ne kao univerzalna zamjena. Ko-upakirana optika je jedna arhitektura za približavanje optičkog stroja komutacijskom ili računarskom silicijumu. Priključna optika, aktivni električni kablovi, pasivni bakarni i električni linkovi{3}}na nivou ploče će i dalje odgovarati različitim zahtjevima za doseg, upotrebljivost, cijenu i snagu.
Final Takeaway
Električna interkonekcija je najjača tamo gdje je fizički kanal kratak, sučelje ima adekvatnu marginu integriteta-signala i bitna je jednostavnost ili niska početna cijena. Optička interkonekcija postaje sve uvjerljivija kako doseg, ukupni propusni opseg, otpornost na EMI i gustina propusnog opsega guraju električni kanal prema većem ekvilizacijskom, ponovnom vremenu ili aktivnom-napajanju kabla.
Skretnica stoga nije fiksni broj metara. To je tačka u kojoj kompletna električna veza više ne zadovoljava potrebnu širinu pojasa, doseg, snagu, gustinu, latencije i{1}}okviru troškova životnog ciklusa sa udobnom marginom.
Prvo definirajte ta ograničenja. Zatim uporedite kompletne električne i optičke arhitekture pri istoj brzini podataka i dosegu. U mnogim sistemima visokih-performansi, najbolji dizajn nije optički ili električni u izolaciji; to je namjerni prijelaz sa električne signalizacije u blizini silicijuma na optičku signalizaciju gdje udaljenost i gustina propusnog opsega to opravdavaju.