Historycznie rzecz biorąc, szybkie interfejsy Ethernet były początkowo kierowane wymaganiami dostawców usług w zakresie gęstości i wydajności widmowej. Moduły optyczne zaczynają się od dużych rozmiarów – zwykle jedna karta na raz. W ciągu kilku pokoleń każda prędkość została połączona w jeden z dwóch pakietów: SFP i QSFP. Wraz ze znacznym wzrostem zapotrzebowania koszty i zużycie energii również stopniowo maleją.
Przewiduje się, że pięcioletnie tempo wzrostu sieci 400GbE bez kabla miedzianego i AOC będzie również 20 razy szybsze niż w przypadku sieci 100GbE (patrz rysunek poniżej: porównanie pierwszych pięciu lat sieci 100GbE i 400GbE). Ta szansa napędza bezprecedensowe inwestycje branżowe ze strony uznanych firm i start-upów.
400GbEna szybkim pasie
Ewolucja sieci 10GbE z XENPAK do SFP+ trwała dziesięć lat. W sieci 100GbE wdrożono CFP, CPAK i CFP2, a następnie w ciągu 5 lat przeniesiono ją do QSFP28. Sieć 100GbE również ucierpiała z powodu błędów CFP4, ale nauczyła się także kluczowej lekcji, że optyka musi być zsynchronizowana z innymi celami platform, sieci i przedsiębiorstw. Jeśli nie, to strata czasu i pieniędzy. Rozmiar CFP4 jest atrakcyjny, ale łamie kompatybilność wsteczną i nie spełnia wszystkich trzech celów.
Osiągnięcie dużej przepustowości i niskich kosztów sieci 400GbE ma kluczowe znaczenie dla operatorów sieci, producentów chipów, dostawców rozwiązań optycznych, dostawców routerów i przełączników, a także wielu innych członków ekosystemu optycznego. Warto zauważyć, że jednym z powodów pomyślnego wdrożenia sieci 400GbE była zbieżność szybkości i PMD wśród członków IEEE, OIF i protokołu wieloźródłowego (MSA). Niestety, początkowo w branży istniały dwa modele opakowań z możliwością wtyku, co doprowadziło do przebudowy i produkcji. Powielanie to może ograniczyć zdolność rynku do rozszerzania wspólnych rozwiązań.
Wady dwóch trybów enkapsulacji transceivera
Kluczowymi czynnikami pomyślnego wprowadzenia na rynek sieci 400GbE są koszty, ochrona inwestycji i łańcuch dostaw. Gdy koszt ma kluczowe znaczenie, ważne jest, aby nie przesadzić z funkcjonalnością. Pierwotny standard 100GbE opierał się na światłowodzie jednomodowym 10 km. Później w branży opracowano krótkie odległości, aby zoptymalizować moc i obniżyć koszty. Sieć 400GbE skorzysta na szybszym pełnym zakresie dostępności i mniejszych rozmiarach – od początkowego 1 m do 10 km w 2019 r. do 100 km w 2020 r.
Kolejnym czynnikiem generującym koszty jest osiągnięcie korzyści skali. Niestety istnienie obu formatów enkapsulacji modułów uniemożliwia rynkowi pełne wykorzystanie innych korzyści wynikających ze spójności. Produkcja odchudzona ma zasadnicze znaczenie dla korzyści skali, ponieważ popyt napędza produkcję, a tym samym koszty. Zatem wspólna linia produkcyjna jest kluczem, a duże ekosystemy obejmujące dziesiątki firm odniosą korzyści ze standaryzacji. Ekosystem obejmuje twórców sprzętu produkcyjnego, sprzętu testowego, narzędzi do projektowania oprogramowania, złączy i klatek, rozwiązań termicznych, sprzętu do zapewniania zgodności i certyfikacji. Biorąc pod uwagę początkowe oczekiwania i szybki rozwój sieci 400 GbE, ważne jest szybkie osiągnięcie ujednolicenia.
Dlaczego kompatybilność wsteczna jest tak ważna?
W ciągu ostatniej dekady stosunek kosztów platform mainframe do urządzeń optycznych znacznie przesunął się w stronę urządzeń optycznych, a tendencja ta ulegnie jedynie przyspieszeniu wraz z pojawieniem się sieci 400 GbE. Zgodność międzypokoleniowa pomaga zrównoważyć tę tendencję. Do końca 2019 r. zostanie wdrożonych ponad 24 miliony modułów QSFP, a inwestycja wyniesie ponad 8 miliardów dolarów. Nawet po wprowadzeniu 400GbE popyt na 100GbE QSFP będzie nadal silnie rósł dzięki pojawieniu się serwerów 100GbE i zwiększonej przepustowości w sieci dla przedsiębiorstw i dostawców usług.
Nie wystarczy dodać nowe urządzenia i działać szybciej w tej samej sieci; należy wziąć pod uwagę wiele aspektów kompatybilności wstecznej, w tym ponowne wykorzystanie istniejących modułów i ciągłe inwestycje w sieć 100GbE. Dlatego można wdrażać tylko nowe porty obsługujące istniejące moduły. Po drugie, korzyści związane z kosztami, mocą i zajmowaniem miejsca wynikające z wdrożenia najnowszych routerów i przełączników są starsze niż zapotrzebowanie na funkcjonalność 400GbE. Dzięki temu operatorzy mogą przygotować się na przyszły rozwój i korzystać z nowego sprzętu bez konieczności natychmiastowego inwestowania w optykę 400GbE pierwszej generacji. Wreszcie istnieje potrzeba ochrony inwestycji w zainstalowane routery i przełączniki, które są kompatybilne z architekturą chłodzenia (na przykład od góry do dołu lub z boku na bok). QSFP-DD rozwiązuje ten problem poprzez oddzielenie modułów i radiatorów, umożliwiając dostosowanie systemu hosta do potrzeb.
Tam, gdzie to możliwe, nowa generacja powinna starać się zachować kompatybilność wsteczną. Rozszerzanie kompatybilności trzeciej, a nawet czwartej generacji jest wymagające technicznie, ale także cenne. Decyzja o zrównoważeniu ochrony inwestycji z nowymi wymogami nigdy nie jest prosta. Problemem w latach 2017 i 2018 jest potrzeba konwersji w formie kapsułkowanej przy prędkościach 400 GbE, 800 GbE i jeszcze wyższych. Powszechnie przyjmuje się, że konwersji w postaci kapsułkowanej należy dokonywać, gdy jest to absolutnie konieczne ze względu na problemy techniczne lub koszty. Osiągnięcie ochrony inwestycji, dużej gęstości i pełnego zakresu możliwości wymaga ryzyka, ale QSFP-DD może rozwiązać ten problem, umożliwiając branży dalszy rozwój z korzyścią skali.
Wyzwania i rozwiązania QSFP-DD
Wsteczna kompatybilność z QSFP-DD wymaga stawienia czoła różnym wyzwaniom, w tym rozmiarowi i układowi komponentów, chłodzeniu modułów i systemu oraz złączom elektrycznym obsługującym cztery i osiem kanałów przy użyciu SerDes 56G. Czynniki te są ze sobą powiązane i wymagają uwzględnienia innych elementów systemu, takich jak układ ASIC dużej mocy. Oczywiście te mechaniczne wyzwania są łatwiejsze do rozwiązania w przypadku nowych typów modułów, które psują kompatybilność z poprzednimi generacjami.
Jednym z najbardziej oczywistych wyzwań technicznych jest chłodzenie. Oczekuje się, że początkowy PMD 400GbE będzie wymagał 12 W, podczas gdy QSFP28 obsługuje tylko około 4 W, więc zrozumiałe jest, dlaczego niektórym trudno jest dokonać takiego skoku. Sukces pierwotnego celu pobudził jeszcze większe ambicje. Moduł koherentny 400ZR/ZR+, który planowany jest na rok 2020, może wymagać 20W. Ciągłe innowacje, w tym systemy i konstrukcja klatek, pokazały, że jest to możliwe, a organizacja normalizacyjna wkrótce je zatwierdzirozwiązania dla QSFP-DD. Ostatni etap wspierania mocy 20 W osiąga się poprzez dodanie grzejnika z przodu modułu. Jak pokazano na poniższym rysunku.
Innym czynnikiem termicznym jest to, że modułów optycznych nie można uważać za system zamknięty; muszą działać w ogólnym projekcie routera, przełącznika lub serwera. W porównaniu z OSFP ważną cechą modułów QSFP jest to, że ich mniejsza powierzchnia pozwala na większy pobór powietrza. Czynnik ten jest korzystny dla reszty systemu, co wyraźnie widać na platformie oferującej obie opcje.
Istnieje wiele innych obszarów, w których osiągnięcie ochrony inwestycji w QSFP-DD wymaga współpracy na dużą skalę w całej branży. Każdy etap na drodze od 40G do 400G oznacza znaczący postęp technologiczny, z których wiele kiedyś uważano za niemożliwe. Na tym etapie ludzie zaczynają zajmować się tymi wyzwaniami dotyczącymi przyszłych prędkości sieci Ethernet, dlatego powinniśmy być sceptyczni w stosunku do początkowego argumentu, że powtarzalna QSFP osiągnęła swój limit.
Zarządzanie łańcuchem dostaw stało się kluczowym czynnikiem różnicującym sukces dostawców sprzętu i operatorów sieci. Ponieważ wdrożenie wielkoskalowych, skalowalnych centrów danych jest tak duże, różnorodność dostawców ma kluczowe znaczenie i jeśli oba modułowe wzorce enkapsulacji będą się utrzymywać, każdy dostawca może być zmuszony do rozdzielenia zarządzania łańcuchem dostaw.
Najlepszą opcją rynkową jest dostawa hurtowa po akceptowalnych kosztach. Po pomyślnej integracji wzorca enkapsulacji modułów wdrożenie 400GbE będzie korzystne dzięki optymalizacji wszystkich dostawców i wielu konkurentów dostawcy. Nie możemy powtarzać wniosków płynących z WPRyb 4 tylko po to, aby dążyć do nieuzasadnionego krótkoterminowego ograniczania ryzyka.
Wniosek
Premiera sieci 400GbE rozpocznie się w 2019 r. i będzie szybko rosła. Debata na temat formy opakowania modułów optycznych w dużej mierze dobiegła końca i niezależnie od tego, czy dostawca systemu wybrał QSFP-DD, czy oba, uwaga skupiła się teraz na przyszłych prędkościach. Na dłuższą metę 400GbE będzie głównie wybierać QSFP-DD. W miarę kontynuacji integracji QSFP-DD w branży pojawią się korzyści skali, a sieć 400GbE osiągnie swój pełny potencjał.
