Znanje

1.400G, stvarno je ovdje

Ne tako davno, u martu 2024. godine, China Mobile je otvorio prvu na svijetu 400G potpuno optičku međuprovincijsku liniju (Peking Unutrašnja Mongolija), što se smatra važnim događajem.

Razlog za nadogradnju okosne mreže na 400G je očigledan.

S jedne strane, rast potrošačkog internet saobraćaja koji donosi digitalni život stanovnika (video visoke definicije, telekonferencije, onlajn prenos uživo, onlajn igre itd.) i dalje se nastavlja.

S druge strane, cijela industrija promovira digitalnu transformaciju, a porast prometa iz industrijskih digitalnih sistema pojačao je pritisak na okosne mreže.

Nagli porast pritiska na okosnu mrežu također je posljedica ključnog razloga - eksplozije AI.

Nakon uspona velikog modela AIGC-a, pokrenuo je talas AI. Da bi se zadovoljile potrebe AI poslovanja, potrebno je izgraditi veliki broj inteligentnih računarskih centara. Model je evoluirao od milijardi parametara do triliona parametara, a klaster računarske snage GPU-a se takođe preselio sa klastera od hiljadu kartica u klaster od deset hiljada kartica ili čak sto hiljada klastera kartica.

GPU računarski klaster je zapravo niz masivnih GPU kartica (GPU servera) povezanih kroz mreže visokih performansi kao što su InfiniBand i RoCEv2. Ima izuzetno visoke zahtjeve za mrežnim performansama i pouzdanošću, što direktno utiče na efikasnost i cijenu obuke.

Što se tiče brzine mrežnog porta samo GPU servera, već je krenuo od jednog porta od 400G, pa čak zahtijeva 800G ili više.

Mrežni portovi GPU servera

Ranije su klasteri GPU računarske snage pripadali kategoriji DCN (Mreža centara podataka). Sada, sa kontinuiranim širenjem veličine klastera, počeli smo da razmatramo primenu distribuiranih inteligentnih računarskih centara za obuku modela.

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

Ovo postavlja veće zahtjeve za DCI (Mreža međusobnog povezivanja centara podataka), a optička komunikaciona mreža okosnice mora biti u stanju da zadovolji ove zahtjeve u smislu tehničkih performansi.

Strategija naše zemlje u računarskoj snazi ​​i dalje se pridržava ideje „nacionalne koordinacije i sveukupnog rasporeda“. Počevši od februara 2022. godine, Kina je pokrenula East West Computing Project za stvaranje nacionalnog integrisanog računarskog sistema.

Jednostavno rečeno, s jedne strane, moramo izgraditi veliki broj podatkovnih centara (ekvivalentnih elektranama), as druge strane, također moramo izgraditi robusnu okosnu prijenosnu mrežu (ekvivalentnu električnoj mreži) za distribuciju ove računarske snage i zadovoljavaju potrebe različitih industrija.

Kako je postignuto 400G?

Trenutna optička mreža okosnice komunikacije, kao temelj cjelokupnog digitalnog društva, mora imati višestruke karakteristike kao što su ultra veliki propusni opseg (400G, budući 800G ili čak 1,6T), ultra-niska latencija (krug kašnjenja na više nivoa), ultra velika razmjerno umrežavanje (posluživanje distribuiranog računarstva i AI klastera spomenutih ranije), ultra-visoka stabilnost, ultra-visoka pouzdanost, ultra-visoka sigurnost, ultra fleksibilan raspoređivanje, inteligentna kontrola rada i održavanja, itd.

Danas ćemo uglavnom govoriti o najvažnijoj brzini propusnog opsega.

Razvoj optičke komunikacijske tehnologije do današnjih dana, u cilju postizanja poboljšanja brzine, nije ništa drugo nego fokusiranje na sljedeće aspekte:

Prvo, tu je brzina prijenosa.

Brzina prijenosa, također poznata kao brzina prijenosa, je broj bitova koji se prenose u jedinici vremena, mjeren u bitovima u sekundi.

Brzina prijenosa{0}}brzina prijenosa pomnožena brojem binarnih bitova koji odgovaraju jednom stanju modulacije.

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

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

Trenutno se CMOS proces povećao sa 16nm na 7nm i 5nm, a brzina prijenosa se postepeno povećala sa 30+GBaud na 64+GBaud, 90+GBaud i 128+ GBaud.

Trenutni 400G je komercijalno dostupan zahvaljujući brzini prijenosa koja dostiže 128Gbaud.

Pogledajmo još jednom metodu modulacije.

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

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

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

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

Ranije se nije pominjalo "East West Calculation", a operateri su vjerovali da 400G neće zahtijevati prijenos na preveliku udaljenost. Stoga je usvajanje uređaja sa niskom brzinom prijenosa sa zrelijom tehnologijom i nižim cijenama, u kombinaciji sa 16QAM sa višim redoslijedom modulacije, glavno mišljenje u industriji.

Kasnije se, s jedne strane, zbog sve većih zahtjeva za daljinom prenosa povećao sa preko 1000 km na nekoliko hiljada km. S druge strane, uređaji sa brzinom prijenosa od 128 GBaud su brzo sazrijevali (u DCN scenariju, 800G se brzo povećao, stimulirajući i promovirajući industrijski lanac), stvarajući uslove za QPSK da se ističe.

QPSK ima veću toleranciju na nelinearnost i može na odgovarajući način povećati ulaznu snagu u poređenju sa 16QAM-PCS. Drugo, back-to-back OSNR prag QPSK je optimiziran u poređenju sa 16QAM-PCS. Štaviše, postavljanje razmaka kanala QPSK-a na 150GHz osigurava gotovo da nema troškova filtriranja tokom prijenosa.

Ove prednosti su postepeno učinile QPSK preferiranim izborom industrije za okosne mreže i DCI.

Grubo poređenje tri opcije

Sada se prve dvije opcije češće razmatraju za urbane ili provincijske aplikacije.

Treće, to je proširenje frekvencijskog opsega.

Brzina prenosa i modulacija uglavnom utiču na brzinu jednog talasa. Optički kabel može imati više valova, sve dok je spektralni raspon dovoljno velik.

Jednovalni propusni opseg x talasni broj jednog vlakna=propusnost jednog vlakna.

Kao što je navedeno u prethodnoj tabeli, razmak kanala QPSK 400G dostiže 150GHz. I tradicionalni C-opseg i prošireni C-opseg nisu dovoljni da zadovolje potražnju za propusnim opsegom spektra.

Dakle, metoda C6T+L6T se postepeno usvaja, sa ukupnim opsegom spektra od 12THz. Izračunajte, sa 80 talasa i jednim talasom od 400G, ukupan kapacitet jednog vlakna je 32T. Ako žrtvujemo određenu udaljenost i koristimo je za uštedu troškova, postavljanje QPSK ili 16QAM-PCS može još više povećati kapacitet, dostižući 48T.

Za detaljan uvod u frekvencijske opsege, možete vidjeti ovdje: Koji su frekvencijski opsezi za optičku komunikaciju?

Najveći problem s proširenjem frekvencijskog opsega je da li uređaj to može podržati i da li se trošak može kontrolisati. Uređaji koji se ovdje pominju uključuju ITLA, CDM, ICR, EDFA i WSS, koji uključuju prijenos i prijem svjetlosti, kao i razmjenu i pojačanje optičkih puteva.

Kada je u pitanju proširenje benda, tu je i problem uključen, a to je integracija.

Trenutna ekstenzija opsega je zapravo više kao jednostavno povezivanje dva sistema (C i L). Dva sistema rade nezavisno, prenose putem multipleksiranja, a zatim se dele na suprotnom kraju, svaki nastavlja da obrađuje.

Ako postoje dva sistema, volumen će biti veći, potrošnja energije će biti veća, a dizajn će biti složeniji. Dakle, industrija treba da prouči kako da integriše uređaje i zaista napravi sistem koji podržava različite proširene opsege u isto vreme. Odnosno, postizanje istinske integracije.

Optička komunikacija, pored optičkih modula i opreme, također zahtijeva pažnju i na optička vlakna.

Trenutna mainstream optička vlakna je G.652D optička vlakna. 400G QPSK takođe može prenositi 1500 km na G.652D sa EDFA pojačanjem.

Nakon godina provjere, industrija je identificirala G.654E vlakno kao novog nasljednika. Ako koristite G.654E sa boljim performansama, pod istim uslovima, razdaljina prenosa od 400G QPSK može se povećati za više od 30%.

G. 654E optički kabel ima mogućnost proizvodnje velikih razmjera i bit će raspoređen na dalekovodima u velikim razmjerima. G. Neka optička vlakna sa malim gubicima serije 654 takođe su postala poželjan izbor za prenos na velike udaljenosti preko okeana u podmorskim kablovskim sistemima.

Osim tradicionalnih optičkih vlakana. Industrija također vjeruje da vlakna s više jezgara i šuplja vlakna imaju široku perspektivu primjene.

Višejezgreno vlakno je vrsta multipleksiranja s prostornom podjelom, u kojoj se više jezgri vlakana ubacuje u jedno vlakno i nekoliko modova se koristi za značajno povećanje kapaciteta vlakna.

Kablovi sa šupljim optičkim vlaknima su još impresivniji. Jednostavno napravite optički kabl šupljim i zamijenite jezgro od staklenih vlakana zrakom.

Dokazano je da šuplja vlakna donose veći kapacitet, manje kašnjenje, manje gubitke u prijenosu i ultra-nisku nelinearnost, i široko se smatraju jednom od tehnologija koje najviše obećavaju u optičkoj komunikaciji u industriji.

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

Nakon zvanične komercijalne skale od 400G, cijela industrija će se fokusirati na sistem tehničkih standarda iznad 400G.

Industrija još uvijek intenzivno raspravlja o tome da li da nastavi sa 800G, 1.2T ili 1.6T.

Ako želite postići veće brzine, morate nastaviti raditi na "metodu modulacije + brzina prijenosa". 130GBd, ili čak i više od 260GBd, je neizbježan smjer. Veća brzina prijenosa znači da povezani uređaji moraju držati korak i formirati zreo industrijski lanac.

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

Frekvencijski opseg također treba dodatno proširiti. Na osnovu proširenja C i L, razmislite o proširenju na S-opseg, U-opseg, E-opseg, itd. Ako je C+L+S, onda je 12T+5T, postižući širinu pojasa od 17THz.

Kombinacijom više faktora, brzina prijenosa jednog vlakna u jednom smjeru može premašiti 100 Tbps, što je odmah iza ugla.

Unutar data centra, 800G (na osnovu brzina prijenosa iznad 100GBd, jednokanalni 100G) je komercijalno dostupan. Jednokanalni 200G, 400G, 800G, samo je pitanje vremena. U tom smislu, napredak je brži u inostranstvu.

Uz kontinuirano povećanje kapaciteta, povećavaju se i tehnološki izazovi koje on donosi. Drugim riječima, razvoj optičke komunikacije oslanja se na uređaje, čipove, procese i materijale.

Kako bi ispunio zahtjeve potrošnje energije, sigurnosti, rada i održavanja spomenutih ranije, također se oslanja na niz inovacija kao što su tehnologija, arhitektura, pakovanje, umjetna inteligencija i digitalni blizanci. Ima još puno posla koji treba obaviti u uzvodnom i nizvodnom dijelu industrijskog lanca. Put pred nama je još dug.