光模塊的發(fā)展以及在Hyperscale用戶中的演進

  ICCSZ訊 如果看過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(shù)據(jù)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。

  光模塊發(fā)展歷史

  在正式展開光模塊發(fā)展歷史之前，我們先來聊聊促進光模塊和數(shù)據(jù)中心發(fā)展的原始驅(qū)動力。

  隨著通信技術(shù)，基于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷發(fā)展，人們對于計算能力和數(shù)據(jù)存儲的要求，漸漸地從個人主機往“云”上遷移，而企業(yè)原有的一些內(nèi)部計算存儲需求，也隨著云計算壯大帶來的成本和管理優(yōu)勢，遷移上了“云”。個人和企業(yè)對于計算和存儲能力的需求，正是促進數(shù)據(jù)中心在最近數(shù)十年大發(fā)展的驅(qū)動力。而所謂的“云”對應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施正是數(shù)據(jù)中心。

  數(shù)據(jù)中心里有什么?數(shù)據(jù)中心里面其實就是碼放整齊的服務(wù)器和各類交換機/路由器。而服務(wù)器和交換機上插滿了各種光模塊，以用于數(shù)據(jù)的傳輸和交換。

Source: mellanox.com

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

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

  從原始社會通信基本靠吼，到飛鴿傳書，再到電話電報，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，這三點缺一不可;所有技術(shù)的發(fā)展都是圍繞著這三點來實現(xiàn)的。

  當通信進入到應(yīng)用現(xiàn)代科技階段時，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，到2G、3G無線通信基本都是基于電的通信方式。大家最近這些年常常聽到的“光進銅退”，指的就是由于電纜這種介質(zhì)本身特性無法實現(xiàn)高速率信號的長距離傳輸，從而限制了它的進一步發(fā)展。用電傳輸信號，隨著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(dǎo)致通信失敗。為了克服這個限制，光模塊就是把電信號在發(fā)射端轉(zhuǎn)成光信號，就是我們說的Transmitter, 即發(fā)送器，它負責將設(shè)備產(chǎn)生的電信號轉(zhuǎn)換成光信號發(fā)出;而在接收端再把收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，就是Receiver，也叫做接收器。如果把Transmitter和Receiver做在一個封裝模塊里，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始155Mb/s(一秒鐘傳輸155萬個比特)，到622Mb/s,1.25Gb/s,2.5Gb/s一直到10Gb/s，利用的是時分復(fù)用的技術(shù)，也就是TDM(Time Division Multiplexing)，在單位時間內(nèi)傳輸更多的比特數(shù)。但一個光模塊的傳輸速率再快，也不如幾個同時一起傳輸，那么就慢慢有了并行傳輸，稱之為parallel，4個并行的叫QSFP, 12個并行的叫CXP。

  對于短距離傳輸來說，并行傳輸多用的一些光纖對于材料和建設(shè)成本并無多大區(qū)別。但對于長距離通信來說，鋪設(shè)一根光纜的建設(shè)成本遠遠大于材料本身，長距離傳輸時，TDM時分復(fù)用會受限于電子器件開關(guān)頻率，那么用一根光纖來傳輸多個波長的技術(shù)就隨之誕生，我們稱之為WDM(Wavelength Division Multiplexing)， WDM又分為兩種，20nm間隔的CWDM(Corse DWM, 粗波分復(fù)用)和0.8nm間隔的DWDM(Dense WDM密集波分復(fù)用)。

  光模塊的封裝形式

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

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

  篇幅原因，無法詳細解釋所有光模塊。那么我就來看看常見的幾種，例如SFP/XFP/SFP。

  隨著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)一直在進步，到了2009年集成工藝的提升，終于可以把XFP塞進SFP，這種新的SFP的Transceiver稱作 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(qū)分，把支持8Gb/s以上的SFP稱為SFP+。

  Parallel并行光模塊的演進

  人們對于帶寬的需求不斷增加，那么同樣對于數(shù)據(jù)中心內(nèi)的Transceiver速率提出了更高的要求，TDM光模塊的限制顯現(xiàn)出來了。到了10Gb/s的時候，新的設(shè)計思路是把Transceiver做的更小，同時把幾個Transceiver裝在與原來大小一樣的封裝里，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SFP+的退出。用戶會根據(jù)自己的需求以及產(chǎn)品的性價比來選擇不同的光模塊。因此，SFP+仍有其存在的理由和市場;隨著技術(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型。對于傳統(tǒng)的XFP/SFP+，有兩個光接口，一收一發(fā)，使用的是LC類型的接口。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(shù)據(jù)中心解決方案里使用了更高工藝標準的USCONEC MTP 接口，根據(jù)光模塊接口類型，我們提供MTP8，MTP12， MTP 16和MTP24接頭類型。

  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。與此同時，康寧提供的數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品方案則是信道，信道的可靠性對通信起著至關(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(yīng)用在什么交換機上不重要，重要的是根據(jù)距離選擇合適的模塊類型，以100G為例：

  Hyperscale客戶對于未來光模塊的需求  當然目前100G主流的光模塊應(yīng)用仍然是小于100m QSFP SR4。大型的Hyperscale云服務(wù)供應(yīng)商在光模塊選型上，更多的會從產(chǎn)業(yè)成熟度、穩(wěn)定供應(yīng)、平滑升級的幾個方面去考慮并設(shè)計對應(yīng)的架構(gòu)。

  目前Hyperscale超大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)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(shù)據(jù)中心，單體數(shù)據(jù)中心的機柜數(shù)量往往在1萬以上，規(guī)模非常龐大。這些云服務(wù)提供商對于各自數(shù)據(jù)中心物理和邏輯架構(gòu)的設(shè)計各有千秋。上文中提到的數(shù)據(jù)中心流量的覆蓋，絕大部分在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，也就是服務(wù)器和交換機之間。大量的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量覆蓋也對應(yīng)了龐大的光模塊需求數(shù)量。數(shù)據(jù)中心作為高投資和高能耗的設(shè)備集群，對于建設(shè)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(yīng)到光模塊的要求，更多會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場合公布了400G的建設(shè)計劃，并預(yù)計在2020年會有試驗的400G 網(wǎng)絡(luò)，逐步鋪開，并將根據(jù)整體架構(gòu)設(shè)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(xù)8芯的應(yīng)用。康寧早在2015年就推出了EDGE8TM的數(shù)據(jù)中心連接方案，提供了靈活的產(chǎn)品配置以滿足400G的組網(wǎng)和架構(gòu)需求。

  再來展望一下hyperscale數(shù)據(jù)中心基于業(yè)務(wù)和應(yīng)用的前景。近幾年我們常聽到AI人工智能，BLOCK CHAIN區(qū)塊鏈和大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)，那么這些技術(shù)對于數(shù)據(jù)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數(shù)據(jù)中心設(shè)施中部署了Deepmind AI(使用機器學(xué)習(xí)和人工智能的應(yīng)用程序)。其結(jié)果是，能夠?qū)?shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心能源效率的指標)值減少了15%，這也產(chǎn)生了該數(shù)據(jù)中心有史以來最低的PUE?；谶@些顯著的成本節(jié)省，谷歌公司希望在其他數(shù)據(jù)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(qū)，讓世界更緊密地聯(lián)系在一起”，F(xiàn)acebook公司的應(yīng)用機器學(xué)習(xí)白皮書從數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施視角進行概述，它描述了支持全球范圍內(nèi)機器學(xué)習(xí)的硬件和軟件基礎(chǔ)設(shè)施。

  為了讓人們了解人工智能和機器學(xué)習(xí)需要多少計算能力，百度公司硅谷實驗室的首席科學(xué)家Andrew Ng表示，培訓(xùn)百度的中文語音識別模型不僅需要4TB的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，還需要20個計算機的exaflops(百億億次)計算量，也就是整個培訓(xùn)周期內(nèi)需要200億次數(shù)學(xué)運算。而這些計算能力需要靠數(shù)據(jù)中心具備更高的計算能力，以及更快的內(nèi)部傳輸速率來實現(xiàn)。

  如何搭建數(shù)據(jù)中心內(nèi)部或數(shù)據(jù)中心之間的流動數(shù)據(jù)高速公路?其實從hyperscale 100G的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)開始，SPINE-LEAF脊葉架構(gòu)成為主流的架構(gòu)。這種架構(gòu)滿足了數(shù)據(jù)中心東西流量需求的同時，也帶來了更為復(fù)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，對于布線的挑戰(zhàn)，甚至布線管理的難度，提出了更高的要求。我們將這種交叉連接稱為MESH網(wǎng)絡(luò)，hyperscale數(shù)據(jù)中心在設(shè)計時除了考慮基礎(chǔ)設(shè)施的PUE，設(shè)備，光模塊的選型之外，如何滿足迅速擴展的云計算業(yè)務(wù)，加速數(shù)據(jù)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。康寧作為專業(yè)的光通信連接方案廠商，能提供優(yōu)于行業(yè)標準的，更可靠穩(wěn)定的產(chǎn)品和方案，針對于MESH的應(yīng)用，康寧也有MESH模塊(module)產(chǎn)品幫助客戶快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的scale out/up。

  另外，對于400G超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的連接設(shè)計，單模SM MPO連接產(chǎn)品使用比例進一步攀升，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(shù)據(jù)中心的快速建設(shè)和安全運營提供更得力的保障。

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