Módulos ópticos evoluindo para os data centers de amanhã

Os transceptores ópticos desempenham um papel fundamental nos data centers e sua importância continuará a crescer à medida que o acesso ao servidor e as interconexões switch-a-switch exigem velocidades cada vez mais altas para atender às crescentes demandas por largura de banda impulsionadas por streaming de vídeo, computação em nuvem e armazenamento ou aplicativos virtualização. Hoje, os data centers de megaescala normalmente têm portas de acesso de 10G que fazem interface com malhas de comutação de 40G, mas em um futuro próximo, as portas de acesso aumentarão para 25G e as malhas de comutação para 100G. Aqui, revisamos os desafios apresentados pelos aplicativos de data center em módulos ópticos e descrevemos como o setor está respondendo para atender à demanda.

Um único mega data center que abriga 100.000 servidores interconectados por uma malha horizontal altamente redundante requer um número igualmente alto de links ópticos. Como cada link deve ser terminado em ambas as extremidades por um transceptor óptico, o número de transceptores é pelo menos o dobro do número de links ópticos e pode atingir números ainda maiores se forem usadas configurações de interrupção óptica. Esses volumes altos podem gerar pontos de baixo custo para transceptores ópticos, mesmo que esses módulos operem na vanguarda da alta taxa de dados. Preços na ordem de US$ 10/Gbps para alcances mais longos até US$ 1/Gbps para alcances mais curtos foram apresentados como um desafio para os fornecedores, o que é claramente uma meta ambiciosa, visto que o preço atual é de 5x a 10x mais alto, embora em taxas de dados diferentes ou em um espaço de aplicação diferente.

Reduções de custo desta ordem são difíceis de alcançar apenas fazendo pequenos refinamentos de abordagens comprovadas para projeto e fabricação de módulos. Especificações mais flexíveis, como diminuir a temperatura máxima de operação, reduzir a faixa de temperatura operacional, reduzir a vida útil do produto e permitir o uso de correção de erro antecipada (FEC), são exemplos que podem ajudar a reduzir o custo do módulo, pois permite que os fornecedores de módulos adotem projetos de custo mais baixo com níveis mais altos de integração óptica, embalagem não hermética, operação sem resfriamento ou teste simplificado.

Um fator importante que determina as aplicações dos módulos ópticos é o fator de forma. Os datacenters de hoje se consolidaram em torno de transceptores no fator de forma SFP para acesso ao servidor e em torno de transceptores QSFP para interconexões switch-a-switch. Os cabos de cobre de conexão direta (DAC) são normalmente usados ​​quando a distância até a porta de acesso é inferior a 5 m, com módulos ópticos ou cabos ópticos ativos (AOC) usados ​​para alcances maiores. As portas de acesso 10G usam módulos SFP+, mas farão a transição para SFP28 quando a velocidade de acesso aumentar para 25G. O acesso ao servidor não requer alcance além de 100 m, portanto, esses módulos são normalmente limitados a transceptores baseados em VCSEL operando em fibra multimodo (MMF). No entanto, também é esperado que o ecossistema em torno das pistas 25G seja aproveitado em aplicações como redes corporativas de próxima geração, que impulsionarão a demanda por módulos SFP28 operando em fibra monomodo (SMF) para alcances de 10 km a 40 km.

Topologia de rede do Cloud Datacenter e caminho de atualização antecipado na taxa de dados para acesso ao servidor e malha de comutação.

Os módulos QSFP aceitam 4 pistas de entrada elétrica e operam em 4x a taxa de dados do módulo SFP correspondente. Hoje, 40G QSFP+ é amplamente implantado em malhas de comutação de data center. Existem dois esquemas concorrentes para a interface óptica: fibra de modo único paralelo (PSM) e multiplexação por divisão de comprimento de onda (CWDM). O PSM opera sobre 8 cabos de fita SMF, onde cada faixa óptica ocupa um par de fibra duplex. O PSM tem a vantagem potencial de um custo de módulo mais baixo porque não é necessária multiplexação de comprimento de onda, mas os custos de cabo e conector são significativamente mais altos do que o duplex, resultando em uma planta de fibra mais cara.

Quatro gerações de transceptores do lado do cliente conectáveis ​​de 100 G: CFP, CFP2, CFP4 e QSFP28 (da esquerda para a direita).

O CWDM opera em cabeamento SM duplex e usa multiplexação por divisão de comprimento de onda para combinar 4 faixas em uma fibra. Aqui, o padrão Ethernet 40GBASE-LR4 existe como uma especificação de referência para a interface óptica. Como as faixas trafegam em um único fio de fibra, os links CWDM são compatíveis com comutação totalmente ótica, que pode ser usada para gerenciamento e reconfiguração do tráfego do data center. Um desafio com os módulos CWDM é que o custo é geralmente mais alto do que o PSM devido à necessidade de componentes adicionais, como um multiplexador ou demultiplexador óptico, mas reduções significativas de custos podem ser realizadas reduzindo a distância de transmissão de 10 km (LR4) para 2 km (MR4 ou LR4-Lite).