Η γνώση

1.400 G, είναι πραγματικά εδώ

Πριν από λίγο καιρό, τον Μάρτιο του 2024, η China Mobile άνοιξε την πρώτη στον κόσμο 400G πλήρως οπτική ενδοεπαρχιακή γραμμή κορμού (Beijing Inner Mongolia), η οποία θεωρείται σημαντικό γεγονός ορόσημο.

Ο λόγος για την αναβάθμιση του δικτύου κορμού στα 400G είναι προφανής.

Από τη μία πλευρά, η αύξηση της καταναλωτικής κίνησης στο Διαδίκτυο που προκαλείται από την ψηφιακή ζωή των κατοίκων (βίντεο υψηλής ευκρίνειας, τηλεδιάσκεψη, ζωντανή μετάδοση μέσω διαδικτύου, διαδικτυακά παιχνίδια κ.λπ.) συνεχίζεται ακόμη.

Από την άλλη πλευρά, ολόκληρη η βιομηχανία προωθεί τον ψηφιακό μετασχηματισμό και η αύξηση της κυκλοφορίας από τα ψηφιακά συστήματα της βιομηχανίας έχει εντείνει την πίεση στα δίκτυα κορμού.

Η ξαφνική αύξηση της πίεσης στο δίκτυο κορμού οφείλεται επίσης σε έναν βασικό λόγο - την έκρηξη της τεχνητής νοημοσύνης.

Μετά την άνοδο του μεγάλου μοντέλου AIGC, πυροδότησε ένα κύμα AI. Προκειμένου να καλυφθούν οι ανάγκες των επιχειρήσεων τεχνητής νοημοσύνης, είναι απαραίτητο να κατασκευαστεί ένας μεγάλος αριθμός ευφυών υπολογιστικών κέντρων. Το μοντέλο έχει εξελιχθεί από δισεκατομμύρια παραμέτρους σε τρισεκατομμύρια παραμέτρους και το σύμπλεγμα υπολογιστικής ισχύος GPU έχει επίσης μετακινηθεί από σύμπλεγμα χιλίων καρτών σε σύμπλεγμα δέκα χιλιάδων καρτών ή ακόμα και σύμπλεγμα εκατοντάδων χιλιάδων καρτών.

Ένα σύμπλεγμα υπολογιστικής ισχύος GPU είναι στην πραγματικότητα μια σειρά από τεράστιες κάρτες GPU (διακομιστές GPU) που συνδέονται μεταξύ τους μέσω δικτύων υψηλής απόδοσης όπως το InfiniBand και το RoCEv2. Έχει εξαιρετικά υψηλές απαιτήσεις για απόδοση και αξιοπιστία δικτύου, γεγονός που επηρεάζει άμεσα την απόδοση και το κόστος της εκπαίδευσης.

Όσον αφορά την ταχύτητα θύρας δικτύου μόνο των διακομιστών GPU, έχει ήδη ξεκινήσει από μία μόνο θύρα 400G και απαιτεί ακόμη και 800G ή υψηλότερη.

Θύρες δικτύου διακομιστών GPU

Προηγουμένως, τα συμπλέγματα υπολογιστικής ισχύος GPU ανήκαν στην κατηγορία του DCN (Δίκτυο Κέντρου Δεδομένων). Τώρα, με τη συνεχή επέκταση του μεγέθους των συστάδων, αρχίσαμε να εξετάζουμε το ενδεχόμενο εφαρμογής κατανεμημένων ευφυών υπολογιστικών κέντρων σε μοντέλα εκπαίδευσης.

Δηλαδή, πολλά ευφυή υπολογιστικά κέντρα σε διαφορετικές τοποθεσίες θα χρησιμοποιηθούν μαζί για εκπαίδευση.

Αυτό θέτει υψηλότερες απαιτήσεις για το DCI (Δίκτυο Διασύνδεσης Κέντρων Δεδομένων) και το δίκτυο κορμού οπτικής επικοινωνίας πρέπει να μπορεί να ανταποκριθεί σε αυτή τη ζήτηση όσον αφορά την τεχνική απόδοση.

Η στρατηγική της χώρας μας στην υπολογιστική ισχύ εξακολουθεί να εμμένει στην ιδέα του «εθνικού συντονισμού και της συνολικής διάταξης». Από τον Φεβρουάριο του 2022, η Κίνα ξεκίνησε το East West Computing Project για τη δημιουργία ενός πανεθνικού ολοκληρωμένου συστήματος υπολογιστικής ισχύος.

Με απλά λόγια, από τη μία πλευρά, πρέπει να δημιουργήσουμε έναν μεγάλο αριθμό κέντρων δεδομένων (ισοδύναμα με σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής) και από την άλλη, πρέπει επίσης να δημιουργήσουμε ένα ισχυρό δίκτυο μετάδοσης κορμού (ισοδύναμο με ένα ηλεκτρικό δίκτυο) για τη διανομή αυτή η υπολογιστική ισχύς και να καλύψει τις ανάγκες διαφόρων βιομηχανιών.

Πώς επιτεύχθηκε το 400G;

Το τρέχον δίκτυο κορμού οπτικής επικοινωνίας, ως θεμέλιο ολόκληρης της ψηφιακής κοινωνίας, πρέπει να έχει πολλαπλά χαρακτηριστικά όπως εξαιρετικά μεγάλο εύρος ζώνης (400G, μελλοντικά 800G ή ακόμα και 1,6Τ), εξαιρετικά χαμηλή καθυστέρηση (κύκλος καθυστέρησης πολλαπλών επιπέδων), εξαιρετικά μεγάλο δικτύωση κλίμακας (εξυπηρέτηση κατανεμημένων υπολογιστών και συμπλεγμάτων AI που αναφέρθηκαν προηγουμένως), εξαιρετικά υψηλή σταθερότητα, εξαιρετικά υψηλή αξιοπιστία, εξαιρετικά υψηλή ασφάλεια, εξαιρετικά ευέλικτη ανάπτυξη, έξυπνος έλεγχος λειτουργίας και συντήρησης κ.λπ.

Σήμερα, θα μιλήσουμε κυρίως για το πιο σημαντικό εύρος ζώνης ταχύτητας.

Η ανάπτυξη της τεχνολογίας οπτικών επικοινωνιών μέχρι σήμερα, προκειμένου να επιτευχθεί βελτίωση της ταχύτητας, δεν είναι παρά να εστιάσουμε στις ακόλουθες πτυχές:

Πρώτον, υπάρχει ο ρυθμός baud.

Ο ρυθμός μετάδοσης, γνωστός και ως ρυθμός bit, είναι ο αριθμός των bit που μεταδίδονται ανά μονάδα χρόνου, μετρούμενος σε bit ανά δευτερόλεπτο.

Ρυθμός bit=ρυθμός baud πολλαπλασιασμένος με τον αριθμό των δυαδικών bit που αντιστοιχούν σε μία κατάσταση διαμόρφωσης.

Ο ρυθμός baud είναι ο αριθμός των συμβόλων που μεταδίδονται ανά μονάδα χρόνου. Όσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός baud, τόσο περισσότερα σύμβολα μεταδίδονται ανά δευτερόλεπτο και, φυσικά, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα των πληροφοριών, που οδηγεί σε αύξηση της ταχύτητας.

Ο ρυθμός baud καθορίζεται από την ικανότητα της οπτικής συσκευής. Όσο πιο προηγμένη είναι η διαδικασία του τσιπ της συσκευής, τόσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός baud και τόσο υψηλότερος ο ρυθμός bit.

Προς το παρόν, η διαδικασία CMOS έχει αυξηθεί από 16 nm σε 7 nm και 5 nm και ο ρυθμός baud έχει αυξηθεί σταδιακά από 30+GBaud σε 64+GBaud, 90+GBaud και 128+ GBaud.

Το τρέχον 400G είναι εμπορικά διαθέσιμο χάρη στον ρυθμό baud που φτάνει τα 128Gbaud.

Ας ρίξουμε μια άλλη ματιά στη μέθοδο διαμόρφωσης.

Τα «δυαδικά ψηφία που αντιστοιχούν σε μία κατάσταση διαμόρφωσης» στον τύπο μόλις τώρα προσδιορίζονται από τη μέθοδο διαμόρφωσης.

Τα σχήματα διαμόρφωσης της τεχνολογίας 400G περιλαμβάνουν επί του παρόντος κυρίως 16QAM, 16QAM-PCS (το PCS είναι μια τεχνολογία διαμόρφωσης πιθανοτήτων, η οποία θα εισαχθεί λεπτομερώς την επόμενη φορά) και QPSK, τα οποία είναι κατάλληλα για διαφορετικά σενάρια εφαρμογής.

Η οπτική επικοινωνία διαφέρει από την ασύρματη επικοινωνία στο ότι δεν επιδιώκει τυφλά τη διαμόρφωση υψηλής τάξης.

Όσο χαμηλότερη είναι η σειρά διαμόρφωσης, τόσο χαμηλότερες είναι οι απαιτήσεις για τη γραμμή και τόσο χαμηλότερο είναι το κόστος κατασκευής του δικτύου. Έτσι, στο πρώιμο στάδιο σχεδιασμού των δικτύων κορμού μεγάλων αποστάσεων, η εστίαση ήταν βασικά στο 16QAM και στο QPSK. Αργότερα, στο διαγωνισμό εντάχθηκε και η 16QAM-PCS.

Προηγουμένως, δεν υπήρχε καμία αναφορά στον "Υπολογισμό Ανατολής Δύσης" και οι χειριστές πίστευαν ότι το 400G δεν θα απαιτούσε πολύ μεγάλη απόσταση μετάδοσης. Επομένως, η υιοθέτηση συσκευών χαμηλού ρυθμού baud με πιο ώριμη τεχνολογία και χαμηλότερες τιμές, σε συνδυασμό με 16QAM με υψηλότερη σειρά διαμόρφωσης, είναι η κυρίαρχη γνώμη στον κλάδο.

Αργότερα, αφενός, λόγω των αυξανόμενων απαιτήσεων για απόσταση μετάδοσης, αυξήθηκε από πάνω από 1000 km σε αρκετές χιλιάδες km. Από την άλλη πλευρά, οι συσκευές ρυθμού baud 128 GB ωρίμασαν γρήγορα (στο σενάριο DCN, το 800G ανέβηκε γρήγορα, τονώνοντας και προωθώντας την αλυσίδα του κλάδου), δημιουργώντας συνθήκες για να ξεχωρίσει το QPSK.

Το QPSK έχει υψηλότερη ανοχή για μη γραμμικότητα και μπορεί να αυξήσει κατάλληλα την ισχύ εισόδου σε σύγκριση με το 16QAM-PCS. Δεύτερον, το back-to-back όριο OSNR του QPSK είναι βελτιστοποιημένο σε σύγκριση με το 16QAM-PCS. Επιπλέον, η ρύθμιση της απόστασης καναλιών του QPSK στα 150 GHz εξασφαλίζει σχεδόν κανένα κόστος φιλτραρίσματος κατά τη μετάδοση.

Αυτά τα πλεονεκτήματα έκαναν σταδιακά την QPSK την προτιμώμενη επιλογή του κλάδου για δίκτυα κορμού και DCI.

Μια πρόχειρη σύγκριση τριών επιλογών

Τώρα, οι δύο πρώτες επιλογές εξετάζονται πιο συχνά για αστικές ή επαρχιακές εφαρμογές.

Τρίτον, είναι η επέκταση της ζώνης συχνοτήτων.

Ο ρυθμός baud και η διαμόρφωση επηρεάζουν κυρίως τον ρυθμό ενός κύματος. Ένα καλώδιο οπτικών ινών μπορεί να έχει πολλαπλά κύματα, αρκεί η φασματική περιοχή να είναι αρκετά μεγάλη.

Εύρος ζώνης ενός κύματος x εύρος κύματος μονής ίνας=εύρος ζώνης μίας ίνας.

Όπως αναφέρθηκε στον προηγούμενο πίνακα, η απόσταση καναλιών του QPSK 400G φτάνει τα 150 GHz. Τόσο η παραδοσιακή ζώνη C όσο και η εκτεταμένη ζώνη C δεν επαρκούν για να καλύψουν τη ζήτηση για εύρος ζώνης φάσματος.

Έτσι, υιοθετείται σταδιακά η μέθοδος C6T+L6T, με συνολικό εύρος ζώνης 12THz. Υπολογίστε, με 80 κύματα και ένα μόνο κύμα 400G, η συνολική χωρητικότητα μιας ίνας είναι 32Τ. Εάν θυσιάσουμε κάποια απόσταση και τη χρησιμοποιήσουμε για να εξοικονομήσουμε κόστος, η ανάπτυξη QPSK ή 16QAM-PCS μπορεί να αυξήσει ακόμη περισσότερο τη χωρητικότητα, φτάνοντας τους 48 Τ.

Για μια λεπτομερή εισαγωγή στις ζώνες συχνοτήτων, μπορείτε να δείτε εδώ: Ποιες είναι οι ζώνες συχνοτήτων για οπτική επικοινωνία;

Το μεγαλύτερο πρόβλημα με την επέκταση της ζώνης συχνοτήτων είναι αν η συσκευή μπορεί να το υποστηρίξει και αν το κόστος είναι ελεγχόμενο. Οι συσκευές που αναφέρονται εδώ περιλαμβάνουν τα ITLA, CDM, ICR, EDFA και WSS, που περιλαμβάνουν τη μετάδοση και λήψη φωτός, καθώς και την ανταλλαγή και την ενίσχυση οπτικών διαδρομών.

Όσον αφορά την επέκταση της μπάντας, υπάρχει επίσης ένα θέμα που είναι η ενσωμάτωση.

Η τρέχουσα επέκταση ζώνης είναι στην πραγματικότητα περισσότερο σαν μια απλή σύνδεση δύο συστημάτων (C και L). Δύο συστήματα λειτουργούν ανεξάρτητα, εκπέμπουν μέσω πολυπλεξίας και στη συνέχεια χωρίζονται στο αντίθετο άκρο, το καθένα συνεχίζοντας την επεξεργασία.

Εάν υπάρχουν δύο συστήματα, ο όγκος θα είναι μεγαλύτερος, η κατανάλωση ενέργειας θα είναι μεγαλύτερη και ο σχεδιασμός θα είναι πιο περίπλοκος. Έτσι, η βιομηχανία πρέπει να μελετήσει πώς να ενσωματώσει συσκευές και να φτιάξει πραγματικά ένα σύστημα που υποστηρίζει διαφορετικές εκτεταμένες ζώνες ταυτόχρονα. Δηλαδή, η επίτευξη αληθινής ολοκλήρωσης.

Η επικοινωνία με οπτικές ίνες, εκτός από τις οπτικές μονάδες και τον εξοπλισμό, απαιτεί επίσης προσοχή στις οπτικές ίνες.

Η τρέχουσα κύρια οπτική ίνα είναι η οπτική ίνα G.652D. Το 400G QPSK μπορεί επίσης να μεταδώσει 1500 χλμ στο G.652D με ενίσχυση EDFA.

Μετά από χρόνια επαλήθευσης, η βιομηχανία εντόπισε την ίνα G.654E ως τη νέα διάδοχο. Εάν χρησιμοποιείτε το G.654E με την καλύτερη απόδοση, υπό τις ίδιες συνθήκες, η απόσταση μετάδοσης των 400G QPSK μπορεί να αυξηθεί περισσότερο από 30%.

Ζ. Το καλώδιο οπτικών ινών 654E έχει τη δυνατότητα παραγωγής μεγάλης κλίμακας και θα αναπτυχθεί σε γραμμές κορμού μεγάλων αποστάσεων σε μεγάλη κλίμακα. Ζ. Ορισμένες οπτικές ίνες χαμηλών απωλειών της σειράς 654 έχουν γίνει επίσης η προτιμώμενη επιλογή για μετάδοση μεγάλων αποστάσεων στους ωκεανούς σε υποθαλάσσια καλωδιακά συστήματα.

Εκτός από τις παραδοσιακές οπτικές ίνες. Η βιομηχανία πιστεύει επίσης ότι οι πολυπύρηνες ίνες και οι κοίλες ίνες έχουν ευρείες προοπτικές εφαρμογής.

Η πολυπύρηνη ίνα είναι ένας τύπος πολυπλεξίας χωρικής διαίρεσης, στην οποία περισσότεροι πυρήνες ινών εισάγονται σε μία ίνα και χρησιμοποιούνται λίγες λειτουργίες για να αυξηθεί σημαντικά η χωρητικότητα της ίνας.

Τα κοίλα καλώδια οπτικών ινών είναι ακόμα πιο εντυπωσιακά. Απλώς κάντε το καλώδιο οπτικών ινών κοίλο και αντικαταστήστε τον πυρήνα από γυάλινες ίνες με αέρα.

Η κοίλη ίνα έχει αποδειχθεί ότι φέρνει μεγαλύτερη χωρητικότητα, χαμηλότερη καθυστέρηση, μικρότερη απώλεια μετάδοσης και εξαιρετικά χαμηλή μη γραμμικότητα και θεωρείται ευρέως ως μία από τις πιο υποσχόμενες τεχνολογίες στην οπτική επικοινωνία από τη βιομηχανία.

Επόμενο βήμα για 400G, 800G ή 1,6T;

Μετά την επίσημη εμπορική κλίμακα των 400G, ολόκληρη η βιομηχανία θα επικεντρωθεί στο σύστημα τεχνικών προτύπων πέραν των 400G.

Η βιομηχανία εξακολουθεί να συζητά εντατικά εάν θα προχωρήσει με 800G, 1.2T ή 1.6T.

Εάν θέλετε να επιτύχετε υψηλότερες ταχύτητες, πρέπει να συνεχίσετε να εργάζεστε στη "μέθοδος διαμόρφωσης + ρυθμός baud". Τα 130 GBd, ή ακόμα υψηλότερα στα 260 GBd, είναι η αναπόφευκτη κατεύθυνση. Ένας υψηλότερος ρυθμός baud σημαίνει ότι οι σχετικές συσκευές πρέπει να συμβαδίζουν και να σχηματίζουν μια ώριμη βιομηχανική αλυσίδα.

Πέρα από τα 400G, δεν μπορούμε πλέον να βασιζόμαστε στο QPSK. Η διαμόρφωση 16QAM είναι επί του παρόντος μια ευρέως αναγνωρισμένη επιλογή στον κλάδο.

Η ζώνη συχνοτήτων πρέπει επίσης να επεκταθεί περαιτέρω. Με βάση την επέκταση των C και L, εξετάστε το ενδεχόμενο επέκτασης σε S-band, U-band, E-band, κ.λπ. Εάν είναι C+L+S, τότε είναι 12T+5T, επιτυγχάνοντας ένα εύρος ζώνης 17 THz.

Με το συνδυασμό πολλών παραγόντων, ο ρυθμός μετάδοσης μιας ίνας σε μία μόνο κατεύθυνση μπορεί να ξεπεράσει τα 100 Tbps, που είναι προ των πυλών.

Εντός του κέντρου δεδομένων, 800G (βάσει ρυθμών baud άνω των 100 GBd, μονού καναλιού 100 G) διατίθεται στο εμπόριο. Μονοκάναλο 200G, 400G, 800G, είναι απλά θέμα χρόνου. Από αυτή την άποψη, η πρόοδος είναι ταχύτερη στο εξωτερικό.

Με τη συνεχή αύξηση της χωρητικότητας, αυξάνονται και οι τεχνολογικές προκλήσεις που φέρνει. Η ανάπτυξη της οπτικής επικοινωνίας, με άλλα λόγια, βασίζεται σε συσκευές, τσιπ, διαδικασίες και υλικά.

Για να καλύψει τις απαιτήσεις κατανάλωσης ενέργειας, ασφάλειας, λειτουργίας και συντήρησης που αναφέρθηκαν προηγουμένως, βασίζεται επίσης σε μια σειρά καινοτομιών όπως η τεχνολογία, η αρχιτεκτονική, η συσκευασία, η τεχνητή νοημοσύνη και τα ψηφιακά δίδυμα. Υπάρχει ακόμη πολλή δουλειά που πρέπει να γίνει στα ανάντη και κατάντη της βιομηχανικής αλυσίδας. Ο δρόμος μπροστά είναι ακόμα μακρύς.