光模塊的發(fā)展以及在Hyperscale用戶(hù)中的演進(jìn)

  ICCSZ訊 如果看過(guò)康寧公眾號之前的一些康寧光連接方案和產(chǎn)品，那么相信讀者對于康寧MTP和LC等數據中心中常用的連接產(chǎn)品標準，性能和優(yōu)勢略知一二。小編今天來(lái)介紹下用于連接MTP和LC接口的光模塊(optical transceiver)的歷史以及演進(jìn)。

  光模塊發(fā)展歷史

  在正式展開(kāi)光模塊發(fā)展歷史之前，我們先來(lái)聊聊促進(jìn)光模塊和數據中心發(fā)展的原始驅動(dòng)力。

  隨著(zhù)通信技術(shù)，基于互聯(lián)網(wǎng)應用的不斷發(fā)展，人們對于計算能力和數據存儲的要求，漸漸地從個(gè)人主機往“云”上遷移，而企業(yè)原有的一些內部計算存儲需求，也隨著(zhù)云計算壯大帶來(lái)的成本和管理優(yōu)勢，遷移上了“云”。個(gè)人和企業(yè)對于計算和存儲能力的需求，正是促進(jìn)數據中心在最近數十年大發(fā)展的驅動(dòng)力。而所謂的“云”對應的基礎設施正是數據中心。

  數據中心里有什么?數據中心里面其實(shí)就是碼放整齊的服務(wù)器和各類(lèi)交換機/路由器。而服務(wù)器和交換機上插滿(mǎn)了各種光模塊，以用于數據的傳輸和交換。

Source: mellanox.com

  如下圖所示，數據中心內部的數據交換量占了70%以上的比例，而不同的數據中心之間的DCI(Data Center Interconnection)數據通信僅為13%左右，這也就可以理解為什么數據中心業(yè)務(wù)大發(fā)展階段，與之對應的光模塊發(fā)展如此的迅速。

  講到這兒，我們開(kāi)始介紹下光模塊(optical transceiver)的歷史。

  從原始社會(huì )通信基本靠吼，到飛鴿傳書(shū)，再到電話(huà)電報，直到當今的光網(wǎng)絡(luò )，通信技術(shù)一直不斷往前發(fā)展。但是完成信息傳遞的三個(gè)基本要素，即信源、信通道和信宿，也就是信息的發(fā)送、傳遞和接受，這三點(diǎn)缺一不可;所有技術(shù)的發(fā)展都是圍繞著(zhù)這三點(diǎn)來(lái)實(shí)現的。

  當通信進(jìn)入到應用現代科技階段時(shí)，先是以電為研究對象，從電的特性出發(fā)，改善通信的質(zhì)量。從早期的固定電話(huà)，到2G、3G無(wú)線(xiàn)通信基本都是基于電的通信方式。大家最近這些年常常聽(tīng)到的“光進(jìn)銅退”，指的就是由于電纜這種介質(zhì)本身特性無(wú)法實(shí)現高速率信號的長(cháng)距離傳輸，從而限制了它的進(jìn)一步發(fā)展。用電傳輸信號，隨著(zhù)傳輸距離增加頻率越高損耗越大，信號變形越厲害，從而引起了接收機的判斷錯誤，導致通信失敗。為了克服這個(gè)限制，光模塊就是把電信號在發(fā)射端轉成光信號，就是我們說(shuō)的Transmitter, 即發(fā)送器，它負責將設備產(chǎn)生的電信號轉換成光信號發(fā)出;而在接收端再把收到的光信號轉換成電信號，就是Receiver，也叫做接收器。如果把Transmitter和Receiver做在一個(gè)封裝模塊里，就成了Transceiver，既可以發(fā)送也可以接收，光模塊(optical transceiver)就是這樣形成。

  早期的光模塊從一開(kāi)始155Mb/s(一秒鐘傳輸155萬(wàn)個(gè)比特)，到622Mb/s,1.25Gb/s,2.5Gb/s一直到10Gb/s，利用的是時(shí)分復用的技術(shù)，也就是TDM(Time Division Multiplexing)，在單位時(shí)間內傳輸更多的比特數。但一個(gè)光模塊的傳輸速率再快，也不如幾個(gè)同時(shí)一起傳輸，那么就慢慢有了并行傳輸，稱(chēng)之為parallel，4個(gè)并行的叫QSFP, 12個(gè)并行的叫CXP。

  對于短距離傳輸來(lái)說(shuō)，并行傳輸多用的一些光纖對于材料和建設成本并無(wú)多大區別。但對于長(cháng)距離通信來(lái)說(shuō)，鋪設一根光纜的建設成本遠遠大于材料本身，長(cháng)距離傳輸時(shí)，TDM時(shí)分復用會(huì )受限于電子器件開(kāi)關(guān)頻率，那么用一根光纖來(lái)傳輸多個(gè)波長(cháng)的技術(shù)就隨之誕生，我們稱(chēng)之為WDM(Wavelength Division Multiplexing)， WDM又分為兩種，20nm間隔的CWDM(Corse DWM, 粗波分復用)和0.8nm間隔的DWDM(Dense WDM密集波分復用)。

  光模塊的封裝形式

  接下來(lái)，我們再來(lái)了解下光模塊的封裝形式(Package Form)，這個(gè)是最首要的Transceiver的分類(lèi)方式，也是產(chǎn)品線(xiàn)劃分的依據。

  在光模塊行業(yè)成型之前，早期由各大電信設備制造商各自開(kāi)發(fā)，接口五花八門(mén)，互不通用。這樣導致光收發(fā)模塊大家用起來(lái)都不方便，于是大家一起制定規則，就有了MSA(Multi Source Agreement), 多源協(xié)議。有了MSA標準之后，獨立專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)Transceiver的公司開(kāi)始嶄露頭角，隨之行業(yè)興起。

  篇幅原因，無(wú)法詳細解釋所有光模塊。那么我就來(lái)看看常見(jiàn)的幾種，例如SFP/XFP/SFP。

  隨著(zhù)工藝水平的不斷提高，Transceiver尺寸越做越小，有了SFP(Small Form-Factor Pluggable)的Transceiver模塊，也稱(chēng)為小封裝可插拔模塊，支持熱插拔，即插即用。SFP的速率越做越高，從1.25G， 2.5G， 4G， 6G，到了10Gb/s以后，原先的封裝大小就放不下那么多的元器件了，就定義了新的標準XFP。XFP指的是10Gb/s速率的可插拔光模塊。技術(shù)一直在進(jìn)步，到了2009年集成工藝的提升，終于可以把XFP塞進(jìn)SFP，這種新的SFP的Transceiver稱(chēng)作 SPF+，即增強型SFP模塊。SFP和SFP+尺寸大小，連接器定義，功能完全相同;為了區分，把支持8Gb/s以上的SFP稱(chēng)為SFP+。

  Parallel并行光模塊的演進(jìn)

  人們對于帶寬的需求不斷增加，那么同樣對于數據中心內的Transceiver速率提出了更高的要求，TDM光模塊的限制顯現出來(lái)了。到了10Gb/s的時(shí)候，新的設計思路是把Transceiver做的更小，同時(shí)把幾個(gè)Transceiver裝在與原來(lái)大小一樣的封裝里，Parallel的光模塊由此誕生。如下圖所示，QSFP+和SFP+封裝的尺寸對比。

  Parallel QSFP+光模塊的興起，并不意味著(zhù)SFP+的退出。用戶(hù)會(huì )根據自己的需求以及產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比來(lái)選擇不同的光模塊。因此，SFP+仍有其存在的理由和市場(chǎng);隨著(zhù)技術(shù)的不斷提升，SFP+也推出了28Gb/s的產(chǎn)品。

  談到這兒，順便提一下光模塊的光接口類(lèi)型。對于傳統的XFP/SFP+，有兩個(gè)光接口，一收一發(fā)，使用的是LC類(lèi)型的接口。對于Parallel模塊，QSFP(4收4發(fā))甚至CXP(12收12發(fā))，那么就需要用到多發(fā)多收，即MPO(MPO是Multiple fiber push-on/push off)接口。康寧的數據中心解決方案里使用了更高工藝標準的USCONEC MTP 接口，根據光模塊接口類(lèi)型，我們提供MTP8，MTP12， MTP 16和MTP24接頭類(lèi)型。

  光模塊作為信號的信源和信宿，擔當了通信三要素中的亮點(diǎn)。與此同時(shí)，康寧提供的數據中心產(chǎn)品方案則是信道，信道的可靠性對通信起著(zhù)至關(guān)重要的作用。關(guān)于如何選擇LC和MTP接頭的連接產(chǎn)品，可以參考公眾號之前發(fā)布的文章。

  對于光模塊而言，應用在什么交換機上不重要，重要的是根據距離選擇合適的模塊類(lèi)型，以100G為例：

  Hyperscale客戶(hù)對于未來(lái)光模塊的需求  當然目前100G主流的光模塊應用仍然是小于100m QSFP SR4。大型的Hyperscale云服務(wù)供應商在光模塊選型上，更多的會(huì )從產(chǎn)業(yè)成熟度、穩定供應、平滑升級的幾個(gè)方面去考慮并設計對應的架構。

  目前Hyperscale超大型數據中心的建設方主要是云服務(wù)提供商，例如亞馬遜，微軟，谷歌，阿里巴巴, 騰訊等。對于以上云服務(wù)提供商的數據中心，單體數據中心的機柜數量往往在1萬(wàn)以上，規模非常龐大。這些云服務(wù)提供商對于各自數據中心物理和邏輯架構的設計各有千秋。上文中提到的數據中心流量的覆蓋，絕大部分在數據中心內部，也就是服務(wù)器和交換機之間。大量的數據中心內部流量覆蓋也對應了龐大的光模塊需求數量。數據中心作為高投資和高能耗的設備集群，對于建設的要求始終是更高的投資回報率、更低的能源消耗和使用率。那么對應到光模塊的要求，更多會(huì )考慮整體成本以及更低的功耗。

  以400G為例，中國的阿里巴巴和騰訊均在公開(kāi)場(chǎng)合公布了400G的建設計劃，并預計在2020年會(huì )有試驗的400G 網(wǎng)絡(luò )，逐步鋪開(kāi)，并將根據整體架構設計綜合考慮光模塊的選型。下圖是目前400G光模塊的潛在產(chǎn)品和標準。我們可以看出，多模并行和單模并行的光模塊都是繼續8芯的應用。康寧早在2015年就推出了EDGE8TM的數據中心連接方案，提供了靈活的產(chǎn)品配置以滿(mǎn)足400G的組網(wǎng)和架構需求。

  再來(lái)展望一下hyperscale數據中心基于業(yè)務(wù)和應用的前景。近幾年我們常聽(tīng)到AI人工智能，BLOCK CHAIN區塊鏈和大數據等前沿技術(shù)，那么這些技術(shù)對于數據中心有什么影響呢?就拿AI人工智能舉例。早在2014年，谷歌公司就在其中一個(gè)數據中心設施中部署了Deepmind AI(使用機器學(xué)習和人工智能的應用程序)。其結果是，能夠將數據中心用于冷卻的能源減少40%，這相當于在考慮到電氣損耗和其他非冷卻效率之后，PUE(Power Usage Effectiveness一種評估數據中心能源效率的指標)值減少了15%，這也產(chǎn)生了該數據中心有史以來(lái)最低的PUE?；谶@些顯著(zhù)的成本節省，谷歌公司希望在其他數據中心中部署該技術(shù)，并建議其他公司也這樣做。

  Facebook公司秉承的使命是“讓人們有能力建立社區，讓世界更緊密地聯(lián)系在一起”，Facebook公司的應用機器學(xué)習白皮書(shū)從數據中心基礎設施視角進(jìn)行概述，它描述了支持全球范圍內機器學(xué)習的硬件和軟件基礎設施。

  為了讓人們了解人工智能和機器學(xué)習需要多少計算能力，百度公司硅谷實(shí)驗室的首席科學(xué)家Andrew Ng表示，培訓百度的中文語(yǔ)音識別模型不僅需要4TB的訓練數據，還需要20個(gè)計算機的exaflops(百億億次)計算量，也就是整個(gè)培訓周期內需要200億次數學(xué)運算。而這些計算能力需要靠數據中心具備更高的計算能力，以及更快的內部傳輸速率來(lái)實(shí)現。

  如何搭建數據中心內部或數據中心之間的流動(dòng)數據高速公路?其實(shí)從hyperscale 100G的數據中心架構開(kāi)始，SPINE-LEAF脊葉架構成為主流的架構。這種架構滿(mǎn)足了數據中心東西流量需求的同時(shí)，也帶來(lái)了更為復雜的服務(wù)器到交換機，以及不同層級交換機之間的交叉互聯(lián)，這種交叉連接的部署，對于布線(xiàn)的挑戰，甚至布線(xiàn)管理的難度，提出了更高的要求。我們將這種交叉連接稱(chēng)為MESH網(wǎng)絡(luò )，hyperscale數據中心在設計時(shí)除了考慮基礎設施的PUE，設備，光模塊的選型之外，如何滿(mǎn)足迅速擴展的云計算業(yè)務(wù)，加速數據中心scale out(橫向擴展)和scale up(縱向擴展)也是非常重要的考慮因素。康寧作為專(zhuān)業(yè)的光通信連接方案廠(chǎng)商，能提供優(yōu)于行業(yè)標準的，更可靠穩定的產(chǎn)品和方案，針對于MESH的應用，康寧也有MESH模塊(module)產(chǎn)品幫助客戶(hù)快速實(shí)現數據中心的scale out/up。

  另外，對于400G超大規模數據中心的連接設計，單模SM MPO連接產(chǎn)品使用比例進(jìn)一步攀升，對于SM MPO接頭工藝的要求變得更高。康寧高品質(zhì)的MTP單模和多模連接產(chǎn)品，能為數據中心的快速建設和安全運營(yíng)提供更得力的保障。

  更多康寧光連接產(chǎn)品方案，請訪(fǎng)問(wèn)康寧產(chǎn)品網(wǎng)站：http://www.corning.com/cn/zh/products/communication-networks/products.html