Каково назначение оптического трансивера?

 

Многие люди могут быть незнакомы с термином «оптический трансивер». Но каждый раз, когда вы просматриваете TikTok, совершаете видеозвонки или сохраняете файлы в облачном хранилище, это маленькое устройство незаметно работает.

 

 

Для начала давайте разберемся, что такое оптический трансивер.

 

Оптический приемопередатчик, обычно называемый в промышленности «оптическим модулем», по сути представляет собой преобразователь сигналов.

 

Ваш домашний маршрутизатор, коммутатор компании и серверы центра обработки данных работают на электрических сигналах. Но у электрических сигналов есть серьезная проблема:-они не распространяются очень далеко. При использовании медных кабелей сигнал 10G может пройти всего 30–50 метров, прежде чем он выйдет из строя, и он чрезвычайно чувствителен к помехам; даже работающий поблизости двигатель может вызвать проблемы.

Оптические сигналы разные. Теоретически оптические сигналы по одномодовому оптоволокну могут распространяться на сотни километров с абсурдно большой полосой пропускания; одно волокно толщиной с человеческий волос может одновременно передавать десятки терабайт данных.

Но вот проблема: устройства не могут обрабатывать оптические сигналы.

 

 

Вот почему нам нужны оптические модули в качестве «переводчиков»:

При отправке:преобразование электрических сигналов в оптические сигналы и передача их по оптоволокну.

При получении:преобразовывать оптические сигналы в оптоволокне обратно в электрические сигналы для обработки устройствами-это так просто.

 

Дата-центры – крупнейшие потребители оптических модулей

 

Начну с конкретных цифр. В прошлом году у меня была возможность посетить центр обработки данных ведущего облачного провайдера в Чжанбэе. Персонал по эксплуатации и техническому обслуживанию рассказал мне, что в их одном кампусе имеется более 500 000 оптических модулей, и по разным причинам они заменяют несколько сотен каждый месяц; запчасти были сложены горами на складе.

И это был всего лишь один кампус. Суммарное количество находящихся в эксплуатации оптических модулей нескольких крупных отечественных производителей легко превышает десять миллионов.

 

Зачем использовать так много?

Доступ к серверу
Сегодня в основных центрах обработки данных каждый сервер оснащен как минимум двумя сетевыми портами 25G или 100G, каждый из которых требует оптических модулей. Для стойки с 40 серверами потребуется 80 оптических модулей только для этого уровня сервера.

 

Некоторые люди спрашивают: «Почему бы просто не использовать медные кабели на короткие расстояния?»

Действительно существует такое решение, под названием DAC (медный кабель прямого подключения), которое действительно дешево и эффективно в радиусе 3 метров. Однако он не работает на расстоянии более 3 метров из-за сильного затухания сигнала. Кабели в центрах обработки данных редко бывают аккуратными и опрятными; он часто включает в себя изгибы и повороты, причем довольно часто встречаются 5 или 10 метров. В таких случаях необходимы оптические модули.

 

Архитектура соединения листьев-Spine

Большинство приличных центров обработки данных сейчас используют архитектуру Spine-Leaf. Листовые коммутаторы управляют доступом к серверу, а коммутаторы Spine отвечают за пересылку трафика на восток-запад.

Расстояние между Leaf и Spine варьируется от десятков до пары сотен метров и обычно составляет 100G и выше, причем крупные производители уже переходят на 400G.

По данным LightCounting на начало 2024 года, оптические модули 100G по-прежнему остаются самой крупной категорией поставок для центров обработки данных, однако 400G демонстрирует ошеломляющий рост: почти на 80 % из года в год-по сравнению с-годом.

Я считаю, что к 2025 году 400G станет стандартом для вновь построенных центров обработки данных.

 

 

Соединение центров обработки данных (DCI)

 

Крупные компании обычно имеют в городе несколько центров обработки данных, требующих высокоскоростного-соединения для синхронизации данных и аварийного восстановления.

Расстояния DCI в пределах одного города обычно составляют 10-80 километров. Раньше для этого сценария использовались 100G LR4 и ER4, но сейчас все чаще применяется 400G ZR. ЗР — это когерентный оптический модуль, способный работать на расстоянии 80 километров и даже больше, с одноволновым 400G, что очень мощно.

 

В прошлом году клиент хотел установить прямое соединение 400G между двумя центрами обработки данных, расположенными на расстоянии 60 километров друг от друга. Первоначально планировалось использовать традиционное оборудование DWDM, которое стоило бы несколько миллионов юаней. Позже они перешли на прямое соединение с оптическими модулями 400G ZR, что снизило стоимость более чем вдвое и значительно упростило обслуживание. Это свидетельство преимуществ технического прогресса.

 

Кластеры искусственного интеллекта – самая горячая тенденция последнего времени

 

Крупномасштабные-модели стали популярными за последние два года, а требования к пропускной способности сети для обучающих кластеров просто безумны.

Серверу NVIDIA DGX H100 с 8 графическими процессорами на машину и каждым графическим процессором, оснащенным портом Ethernet 400G, требуется восемь оптических модулей 400G на машину. Создание кластера из десятков тысяч графических процессоров приведет к астрономическим затратам на оптические модули.

Ходят слухи, что крупный производитель заплатил своим поставщикам сотни миллионов предоплат за обеспечение производственных мощностей оптических модулей 800G.

Лично я считаю, что спрос на ИИ вырос слишком быстро, а цепочка поставок оптических модулей всегда была тесной. Самым прямым свидетельством является то, что цены на акции нескольких ведущих производителей оптических модулей в этом году взлетели до небес.

Сети операторов связи являются традиционным рынком оптических модулей. Хотя они и не такие «привлекательные», как дата-центры, их масштабы стабильны.

 

Транспортная сеть 5G

 

Базовые станции 5G разделены на три уровня: AAU, DU и CU. Соединения между ними называются фронтальными, промежуточными и обратными.

Fronthaul (от AAU до DU) чаще всего использует оптические модули 25G, расстояние которых обычно не превышает 20 километров. В этом сегменте крайне высокие требования к задержке и синхронизации при использовании протокола eCPRI, а к оптическим модулям также предъявляются особые требования. В прошлом году в проекте фронтальной связи 5G с провинциальным оператором мобильной связи они очень строго подходили к тестированию задержек оптических модулей; несколько пакетов были возвращены из-за чрезмерной задержки. Контроль качества имеет решающее значение в телекоммуникационных проектах.

В средней и транзитной сети используются оптические модули с более высокими скоростями, включая 50G и 100G, и на гораздо большие расстояния, потенциально десятки километров.

Пик развертывания 5G фактически пройден, но 6G находится на стадии пред-исследований, поэтому возможности еще есть.

 

Городские сети (MAN) и магистральные сети

 

Городские сети (MAN) — это, прежде всего, сети, управляемые операторами связи внутри городов, которые агрегируют различный трафик доступа и отправляют его в магистральную сеть.

Магистральная сеть – это-сеть передачи данных на большие расстояния, охватывающая города и провинции, по которой передается почти весь интернет-трафик. Магистральные сети должны использовать системы DWDM, объединяющие десятки или даже сотни длин волн в одном оптическом волокне, причем каждая длина волны работает на скорости 100G или 400G.

Оптические модули, используемые в этой области, являются наиболее технологичными, в первую очередь когерентными оптическими модулями, и стоят дорого; один модуль может легко стоить десятки тысяч юаней. Честно говоря, бизнес в сфере магистральных сетей имеет высокую рентабельность, но объемы невелики, а клиентская база ограничена несколькими операторами связи, что делает отношения критически важными.

 

Требования к оптическим модулям корпоративной сети

 

Кампусная сеть

Чуть более крупным компаниям обязательно потребуется проложить оптоволоконные кабели между офисными зданиями. Самый крайний пример, который я видел, — это сеть автомобильного завода. Территория завода настолько велика, что некоторые здания находятся на расстоянии трех или четырех километров друг от друга, поэтому требуются оптические модули 10G LR или даже ER.

Корпоративные клиенты обычно-чувствительны к цене. Оптические модули производителей оригинального оборудования (OEM) слишком дороги, поэтому большинство из них будут выбирать совместимые модули-сторонних производителей. Если вы найдете надежного поставщика, совместимые модули обычно работают без проблем. Однако есть исключения. Некоторые крупные государственные-предприятия и финансовые учреждения требуют использования OEM-модулей в процессах закупок, даже если они в два или три раза дороже. Требования соответствия существуют; нет никакого способа обойти это.

 

Сети хранения данных

В корпоративных центрах обработки данных также необходимы оптические модули для соединения серверов и устройств хранения данных.

Существует две основные системы сетей хранения данных: Fibre Channel (FC) и Ethernet. FC — более старый протокол, но он до сих пор широко используется в таких отраслях, как финансы и здравоохранение, благодаря своей стабильности и надежности.

Оптические модули FC имеют свои собственные спецификации: 8G, 16G и 32G FC, и их нельзя использовать взаимозаменяемо с оптическими модулями Ethernet. В последние годы популярность приобрел протокол NVMe-oF, использующий Ethernet для передачи трафика хранилища, и доля рынка FC постепенно сокращается. Однако этот процесс будет очень медленным, поскольку существующий рынок слишком велик.

 

Другие применения оптических модулей

 

Промышленные сценарии

Заводские условия суровы, с высоким уровнем электромагнитных помех и резкими колебаниями температуры, которым не могут противостоять обычные оптические модули. Оптические модули промышленного-класса должны работать в диапазоне температур от -40 до +85 градусов, а также должны быть устойчивы к вибрации и ударам. Стоимость значительно выше, чем у обычных оптических модулей, но промышленные заказчики не беспокоятся о дополнительных затратах; они отдают приоритет стабильности.

Мой друг, работающий над проектом сталелитейного завода, сказал мне, что обычные переключатели просто невозможно использовать для сетевого оборудования рядом с доменными печами; им необходимо использовать оборудование промышленного-класса с оптическими модулями промышленного-класса, иначе сеть перегреется и выйдет из строя.

 

Радиовещание и телевидение

Телестанции также используют оптические модули для внутренней передачи видеосигналов, но протокол немного другой; это SDI через оптоволокно.

Сигналы сверх-высокого-разрешения 4K и 8K имеют очень большую полосу пропускания, а сжатие приводит к задержке, что неприемлемо для прямых трансляций. Поэтому в сфере телерадиовещания используется передача без сжатия, что предъявляет очень высокие требования к пропускной способности оптических модулей.

 

Военное и специальное применение

Военные оптические модули - это совершенно другой мир, требующий различной закалки и сертификации, да и цена тоже совсем в другой лиге-невероятно дорогая. Конкретные детали раскрывать неудобно, но, короче говоря, технические барьеры очень высоки, и игроков, которые могут выйти на эту сферу, не так много.

 

Как выбрать оптический модуль?

 

Обсудив так много вариантов использования, как выбрать оптический модуль для реальной работы?

 

Во-первых, поймите расстояние

Оставьте некоторый запас при выборе оптических модулей. Например, если измеренное расстояние составляет 800 метров, выбрав

ДР (500-метровая спецификация) явно недостаточно; вам нужно использовать FR.

 

Во-вторых, подтвердите тип волокна

Многомодовые оптические модули можно использовать только с многомодовым оптоволокном, а одномодовые оптические модули — только с одномодовым-волокном. Если вы выберете неправильный тип, модуль не загорится.

Многомодовое волокно имеет несколько классов: OM1, OM2, OM3, OM4 и OM5. Чем выше класс, тем длиннее поддерживаемое расстояние. В настоящее время OM3 и OM4 являются основными. Одномодовое волокно- в основном соответствует стандарту G.652, поэтому вам не нужно беспокоиться о модели.

 

В-третьих, проверьте совместимость устройства.

Хотя оптические модули соответствуют стандарту MSA, разные производители оборудования по-прежнему используют разные методы, поэтому не все они обязательно совместимы. Оборудование Cisco и Huawei имеет больше ограничений для оптических модулей сторонних-производителей, а некоторые из них требуют ввода командной-линии для распознавания. Arista и Mellanox относительно более открыты. На всякий случай спросите поставщика, тестировали ли они его на целевом устройстве. Основные производители совместимых оптических модулей обычно имеют списки совместимости.

 

В-четвертых, обратите внимание на энергопотребление.

Высокоскоростные-оптические модули потребляют все больше энергии. Модуль 400G DR4 потребляет 8–10 Вт, а модуль 400G ZR может достигать 15–20 Вт.

Если все оптические модули установлены в коммутатор, общая потребляемая мощность может составлять несколько сотен ватт, что создает проблему рассеивания тепла. Не забудьте учесть это при проектировании, чтобы избежать перегрузки системы охлаждения центра обработки данных.

 

Модули 800G в настоящее время пользуются большим спросом: сроки поставки некоторых моделей составляют три-четыре месяца. Если у проекта плотный график, важно заранее обеспечить поставки.

 

Устранение неполадок оптических модулей

 

Ссылка отключена

Начните с самого простого: надежно ли подключен оптический модуль? Правильно ли подключен оптоволоконный кабель? Не смейтесь, некоторые люди на самом деле не слышат «щелчка» при подключении оптоволоконного кабеля и думают, что он подключен правильно, хотя на самом деле это не так. Затем проверьте полярность волокна. Для двух-оптоволоконных соединений передатчик (Tx) должен быть подключен к приемнику (Rx); если их перевернуть, он не загорится. Если это по-прежнему не работает, используйте измеритель оптической мощности для измерения мощности передачи и приема, чтобы проверить, неисправен ли один из оптических модулей.

 

Ошибки или потеря пакетов:

 

Отследите ссылку, чтобы увидеть, какой сегмент волокна неисправен. Если проблема по-прежнему не найдена, попробуйте заменить оптический модуль, оптоволокно или порт-методом устранения.

 

Поговорим о некоторых технологических тенденциях

 

 

800G и 1,6Т:

 

Технология кремниевой фотоники

Кремниевая фотоника активно обсуждается уже много лет.

Честно говоря, лично я считаю, что реклама-переоценена. Теоретически кремниевая фотоника может снизить затраты и повысить интеграцию, но в реальном массовом производстве проблемы с производительностью полностью не решены. Кроме того, материалы на основе кремния-не могут быть использованы для изготовления лазеров; их еще необходимо смешивать и интегрировать с материалами III-V группы.

Конечно, это только мое мнение; многие в отрасли с этим не согласны. Intel и Cisco активно продвигают кремниевую фотонику, и у них должны быть свои причины.

 

CPO (со-компактная оптика)

Эта концепция более радикальна: она объединяет оптический механизм и коммутирующий чип напрямую. Преимуществом является значительное снижение энергопотребления и увеличение плотности полосы пропускания. Недостаток – оптический модуль нельзя заменить отдельно; если один из них выйдет из строя, возможно, придется заменить всю плату.

Крупные компании, такие как Google и Meta, активно продвигают CPO, и фактическое внедрение ожидается в 2025 или 2026 году. Однако пока неясно, станет ли это массовым явлением. Коллеги по техническому обслуживанию боятся CPO: как заменить его, если он выйдет из строя? Следует ли вывести из эксплуатации всю систему?

 

Наконец

 

Основная идея проста: оптические трансиверы являются краеугольным камнем современных сетей связи и имеют чрезвычайно широкое применение.

От вашего домашнего широкополосного ONU до магистральной сети операторов связи; от корпоративных офисных сетей до гипермасштабируемых центров обработки данных; от базовых станций 5G до обучающих кластеров искусственного интеллекта.-оптические модули есть повсюду.

Эта отрасль не является гламурной, и технические барьеры не такие устрашающие, как в индустрии микросхем, но ее сила заключается в устойчивом и непрерывном росте. Волна искусственного интеллекта дала отрасли значительный импульс. Если вы сетевой инженер, инженер по эксплуатации центров обработки данных или просто интересуетесь индустрией связи, определенно стоит потратить некоторое время на изучение оптических модулей. Чем дольше вы работаете в этой сфере, тем больше вы это оцените.