W początkach Internetu do przesyłu danych wykorzystywano kable miedziane. Wraz ze wzrostem prędkości transmisji konieczne było jednak skracanie ich maksymalnej długości, żeby ograniczyć nieuniknione w przypadku miedzi straty i zakłócenia sygnału – w niektórych standardach Ethernetu 100 Gb/s kable miedziane mogą mieć zaledwie kilka metrów. Obecnie w centrach danych i sieciach szkieletowych urządzenia sieciowe standardowo wyposażane są już w porty o przepustowości 400 Gb/s i 800 Gb/s, w przypadku tak szybkich łączy konieczne jest więc zastąpienie kabli miedzianych światłowodami. W medium tym wykorzystuje się zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia do transmisji wiązki świetlnej, która jest nośnikiem informacji. Światłowody mają dzięki temu wiele zalet. Najważniejsze to: możliwość transmisji danych z prędkościami rzędu setek gigabitów na sekundę na bardzo duże odległości sięgające setek kilometrów przy minimalnych stratach sygnału i odporność na zaburzenia elektromagnetyczne. Kable światłowodowe są także cieńsze i lżejsze niż te miedziane.
Na obu końcach łącza optycznego wymagane są transceivery (moduły optyczne), które konwertują sygnały elektryczne z nadajnika na impulsy świetlne transmitowane światłowodem oraz dokonują konwersji odwrotnej, impulsów świetlnych na sygnały elektryczne w odbiorniku. Są to kluczowe komponenty, wpływające na jakość transmisji i zużycie energii. Są to zazwyczaj moduły wtykowe (plug-in), które umieszcza się w przednim panelu urządzenia sieciowego. W związku z funkcją, jaką pełnią, ich głównymi komponentami po stronie nadajnika są: bufor wejściowy (albo retimer), przetwornik C/A, wzmacniacz, modulator, laser, zwykle emitujący promieniowanie podczerwone, wzmacniacz optyczny oraz sprzęgacz ze światłowodem, a po stronie odbiornika: demultipleksery, fotodiody, które przetwarzają sygnał optyczny na elektryczny, wzmacniacze przetwarzające prąd fotodiod na napięcie, przetwornik A/C, bufor wyjściowy (retimer).
Typy trainsceiverów
Moduły optyczne to ważne komponenty, które wnoszą tym większy wkład w sumaryczne zużycie energii przez sprzęt sieciowy, im większa jest prędkość transmisji. Na przykład, transceiver 800 Gb/s może zużywać od 30% do 40% mocy przełącznika sieciowego. W centrach danych zużycie energii przez setki switchy kumuluje się, co zwiększa potrzeby w zakresie chłodzenia, tym bardziej przyczyniając się do wzrostu całkowitego zużycia energii w tego typu obiektach. Aby jej pobór ograniczyć wprowadza się modyfikacje w konstrukcjach modułów optycznych. W związku z tym można wyróżnić kilka ich typów (rys. 1).
Tradycyjnie transceivery projektowane są pod kątem zapewnienia możliwie najwyższego poziomu integralności sygnału. W tym celu wykorzystuje się mechanizm retimingu zarówno dla sygnałów po stronie nadajnika, jak i odbiornika. Retimer/procesor DSP wyodrębnia sygnał zegara z interfejsu elektrycznego i stosuje techniki kompensacji, aby przeciwdziałać skutkom zakłóceń, na jakie jest on narażony w czasie transmisji, szczególnie na duże odległości. Analogicznie po stronie odbiorczej retimer stosuje specjalne algorytmy korekcji w celu usunięcia zniekształceń z odebranego sygnału. Mechanizm regeneracji sygnału zegarowego wdrożony dla obydwu kierunków przepływu danych minimalizuje jitter i jego inne zniekształcenia. "Czysty" i stabilny sygnał zegara pozwala na szybką transmisję danych, z niskimi opóźnieniami i wysoką niezawodnością. Integralność sygnału i niskie opóźnienia są kluczowe m.in. w obliczeniach o dużej wydajności (High Performance Computing) i w łączeniu centrów danych w celu współdzielenia zasobów i szybkiego przesyłania danych pomiędzy różnymi lokalizacjami (Data Center Interconnects). Z drugiej strony, układ DSP zużywać może aż około 50% mocy transceivera, zatem retimery po stronie nadawczej, jak i odbiorczej znacząco zwiększają zapotrzebowanie modułu optycznego na energię. Transceivery z dwoma DSP są również droższe w porównaniu z innymi konfiguracjami, koszt procesora sygnałowego stanowi bowiem typowo ponad jedną czwartą kosztu modułu.
Moduły LRO i LPO
Alternatywą są moduły optyczne Linear Receive Optics (LRO), w których procesor DSP jest używany tylko po jednej stronie – zwykle nadawczej. Retiming jednokierunkowy zapewnia kompromis między jakością sygnału, a kosztem. Moduły LRO także poprawiają integralność i ograniczają opóźnienia, choć nie tak skutecznie, jak transceivery z dwoma procesorami DSP, więc druga strona łącza – zwykle odbiorcza (host) musi zapewnić skuteczne odzyskiwanie sygnału. Z drugiej jednak strony, zużywają mniej energii i są tańsze, dzięki uproszczonej konstrukcji po stronie odbiornika. Generalnie transceivery typu LRO sprawdzają się, kiedy wystarczająca jest umiarkowana poprawa integralności sygnału, stając się ekonomicznym rozwiązaniem dla mniej krytycznych ścieżek danych w sieci.
Dostępne są też moduły LPO (Linear Pluggable Optics). Opierają się one na bezpośredniej detekcji i analogowym przetwarzaniu sygnału, bez mechanizmu retimingu, a zatem bez DSP. W przeciwieństwie do modułów optycznych z retimerami po obu stronach łącza, transceivery LPO są w pełni zależne od hosta w zakresie odzyskiwania i kondycjonowania sygnałów. Powinien on być w stanie zrekompensować straty sygnału w łączu z transcaiverem rzędu typowo kilkunastu dB, zarówno po stronie nadawczej, jak i odbiorczej, a także straty optyczne rzędu kilku dB. Dzięki wyeliminowaniu DSP, LPO charakteryzują się jednak niższym zużyciem energii i wyższą sprawnością energetyczną, a także obsługują szybszą transmisję danych. Niestety, połączenie modułu LPO z przełącznikiem LPO innego producenta stanowi wyzwanie przy przepustowości sięgających 100 Gb/s na kanał i wyższych. Rozwiązaniem jest korzystanie ze sprzętu jednego producenta po obu stronach łącza, co upraszcza wdrożenie, ale równocześnie ogranicza elastyczność i prowadzi do zależności od jednego dostawcy.
Dalej przedstawiamy główne komponenty i rozwiązania z zakresu przetwarzania sygnałów, które są wdrażane w modułach optycznych na przykładzie transceivera do obsługi transmisji z prędkościami sięgającymi 800 Gb/s.
Moduły optyczne 800G
Moduły tego typu składają się zazwyczaj z kilku torów sygnałów optycznych, w transmisji których wykorzystuje się zaawansowane techniki modulacji oraz multipleksowanie torów i długości fal. W opisywanym modelu dostępnych jest 8 torów o przepustowości 100 Gb/s, a schemat modulacji to czteropoziomowa modulacja PAM (Pulse Amplitude Modulation). Dzięki logicznemu podziałowi pojedynczego fizycznego transceivera na kilka portów obsługiwanych jest kilka prędkości i trybów transmisji. Są to: 1 x 800G, w którym moduł działa jako pojedynczy port o przepustowości 800 Gb/s, 2 x 400G, w którym dostępne są dwa oddzielne porty o łącznej przepustowości 800 Gb/s oraz 8 x 100G, z ośmioma oddzielnymi portami o całkowitej przepustowości również 800 Gb/s.
PAM4 to metoda modulacji, łącząca dwa bity w jeden symbol, któremu jest przypisywany jeden z czterech określonych poziomów amplitudy (rys. 2). Pozwala to na podwojenie ilości danych, które można przesłać. PAM4 charakteryzuje się wysokim stosunkiem sygnału do szumu, ale niestety jest podatna na mieszanie czterofalowe (Four-Wave Mixing, FWM), nieliniowe zjawisko optyczne, które występuje w światłowodowych systemach komunikacyjnych. Polega ono na tym, że sygnały optyczne o różnych długościach fal wpływają na siebie nawzajem w światłowodzie. Jest to główną przyczyną trudności w osiągnięciu prędkości transmisji 800 Gb/s na odległościach powyżej 10 km. By było to możliwe należy zaimplementować mechanizm korekcji błędów FEC (Forward Error Correction), który zapewni integralność sygnału. Wdrożyć go trzeba zarówno po stronie nadajnika, jak i odbiornika. Generalnie modulacja PAM4 umożliwia wydajną transmisję danych na krótkie odległości, ale wymaga bardziej zaawansowanego przetwarzania sygnału i korekcji błędów.
CDR i FEC
Zaawansowane techniki cyfrowego przetwarzania sygnału poprawiają integralność sygnału oraz rozszerzają zasięg transceiverów. Przykładem jest blok odzyskiwania sygnału zegara (Clock Data Recovery, CDR), który wyodrębnia informacje o taktowaniu z sygnału danych. FEC to natomiast metoda korekcji błędów, w której nadajnik dodaje redundantne bity danych albo bity parzystości do oryginalnego strumienia danych. Ta nadmiarowość pozwala na wykrywanie i korygowanie błędów w odbiorniku, bez konieczności retransmisji. Ponowny przesył jest w transceiverach optycznych niepraktyczny ze względu na to, że wprowadza zbyt duże opóźnienia, uniemożliwiając transmisję w czasie rzeczywistym.
Skuteczność korekcji błędów przez FEC zależy od zastosowanego algorytmu oraz stopnia dodanej redundancji. Przykłady algorytmów to Reed-Solomona i LDPC (Low-Density Parity-Check) Wybór algorytmu FEC zależy od określonych wymogów systemu komunikacyjnego, jak: przepustowość – im jest większa, tym wydajniejszy algorytm jest wymagany, charakterystyki błędów – te pakietowe (burst errors) są lepiej obsługiwane przez kody blokowe, takie jak Reed-Solomona, dostępna moc obliczeniowa – w systemach o ograniczonych zasobach obliczeniowych lepsze są prostsze kody, jak Hamminga czy BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghema). Ponadto aplikacje czasu rzeczywistego, takie jak strumieniowanie wideo, wymagają algorytmów o niskim opóźnieniu.
Architektura 8 x 100 Gb/s
Jedną z możliwych architektur dla transceivera 800G jest 8 × 100 Gb/s, która wykorzystuje osiem torów o przepustowości 100 Gb/s każdy (rys. 3). Jej najważniejsze komponenty to: platforma hosta, interfejs elektryczny pomiędzy przełącznikiem a komponentami transceivera, który może przesyłać dane przez osiem oddzielnych torów elektrycznych o przepustowości 100 Gb/s każdy, blok CDR/DSP PAM4, wzmacniacz sygnału oddzielny dla każdej linii danych 100 Gb/s, osiem modulatorów. Jeżeli chodzi o te ostatnie to wykorzystują: lasery z pionową wnęką rezonansową (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers, VCSEL), z których korzysta się w transmisji światłowodami wielomodowymi lub lasery z modulacją bezpośrednią (Directly Modulated Lasers, DML), preferowane w przypadku światłowodów jednomodowych. Lasery DML wykorzystują struktury rozproszonego sprzężenia zwrotnego (Distributed Feedback, DFB), które zawierają siatkę dyfrakcyjną zapewniającą stabilną modulację bezpośrednią. Ich prędkość modulacji i odległość transmisji zależą od szerokości linii widmowej – węższa pozwala na uzyskanie wyższych prędkości i większych odległości. W DML dane są modulowane przez regulację prądu zasilającego diodę laserową, co skutkuje kompaktową konstrukcją odpowiednią do zastosowań o niskim poborze mocy. Korzysta się również z modułów laserów z modulacją elektroabsorpcyjną (Electro-Absorption Modulated Laser, EML), które łączą diodę laserową z modulatorem elektroabsorpcyjnym w jednym układzie scalonym. Laser pracuje w tym przypadku w sposób ciągły, a modulator włącza i wyłącza sygnał. W porównaniu do DML, EML pozwalają uzyskać wyższe prędkości w transmisji na większe odległości, dzięki niższej dyspersji chromatycznej. EML są wykorzystywane głównie do przesyłu danych z prędkością powyżej 25 Gb/s i na dystanse 10–40 kilometrów. Pozostałe komponenty transcaivera to osiem wzmacniaczy transimpedancyjnych oraz osiem fotodetektorów. Te pierwsze przekształcają i wzmacniają prąd z fotodiod na napięcie.
Połączenia mieszane
W idealnym przypadku by można było uniknąć wad mieszanego połączenia miedziano-optycznego, światłowód powinien być doprowadzony bezpośrednio do krzemowego układu, ASIC lub FPGA, w przełączniku sieciowym, nawet bowiem poprowadzona na stosunkowo krótkim odcinku miedziana ścieżka na PCB łącząca układ scalony z interfejsem komunikacyjnym switcha powoduje stratę sygnału i negatywnie wpływa na jego integralność. Wynika z tego konieczność korzystania ze wspomnianych energochłonnych retimerów opartych na procesorach DSP i układów korekcji błędów, co zmniejsza oszczędność energii oraz zwiększa opóźnienia. Umieszczenie dużej liczby światłowodów jak najbliżej układów scalonych wymaga natomiast złożonych projektów obudów i złącz, a także może okazać się trudne ze względu na ograniczenia przestrzenne lub wymagania dotyczące chłodzenia. Dlatego mimo wszystko do tej pory większość przełączników sieciowych wykorzystuje moduły optyczne typu plug-in. To oznacza, że światłowody kończą się na panelu przednim przełącznika sieciowego, a miedź (ścieżka na PCB) zapewnia połączenie na odległości od panelu przedniego do układu ASIC/ FPGA. Alternatywą dla nich są układy CPO (Co-Packaged Optics), które integrują komponenty miedziane i optyczne w ramach jednej obudowy, maksymalnie zbliżając światłowody do układów scalonych przełącznika, bez strat energii.
Przełącznik sieciowy CPO zwykle obejmuje: scalony układ fotoniczny PIC (Photonic Integrated Circuits), w którym zintegrowano modulatory, na przykład Mach-Zehndera, fotodiody, falowody, multipleksery/demultipleksery oraz Electronic Integrated Circuit (EIC), na który z kolei składają się wzmacniacze dla modulatorów oraz wzmacniacze transimpedancyjne dla fotodetektorów. PIC i EIC powinny być umieszczone możliwie blisko siebie. Wymagane jest także źródło światła, zazwyczaj zewnętrzne, ponieważ integracja wydajnych laserów o dużej mocy wciąż pozostaje wyzwaniem. Światło jest doprowadzane przez włókno albo falowodem. Połączenia elektryczne o ultra-wysokiej gęstości łączą EIC z ASIC przełącznika i EIC z PIC, natomiast blok sprzężenia optycznego łączy PIC ze światłowodem.
Przełączniki CPO
Switche CPO zapewniają szereg korzyści w porównaniu z modułami wtykowymi. Pozwalają przede wszystkim na zastąpienie stratnych ścieżek z miedzi na całej płytce aż do panelu przedniego światłowodami o niskiej stratności. To wraz z możliwością wyeliminowania retimerów zmniejsza zużycie energii i koszty, zapewniając jednocześnie większą przepustowość i mniejsze opóźnienia. Oprócz tego rezygnacja z nieporęcznych modułów wtykowych pozwala na zwiększenie gęstości połączeń na panelu przednim i/lub zwalnia miejsce na panelu, co z kolei przekłada się na lepsze chłodzenie. Szacuje się, że układy CPO mogą zapewnić 30% oszczędności energii, o 40% niższy koszt transceivera na bit i gęstości danych sięgające 1 Tbps/mm. Z drugiej strony, zaletą modułów wtykowych jest łatwość serwisowania i wymiany. Ponieważ jednak najbardziej podatnym na awarie elementem łącza optycznego jest źródło światła, aby switche CPO mogły dorównać modułom plug-in pod tym względem te pierwsze wyposaża się we wtykowe źródła promieniowania laserowego.
Pomimo trudności w realizacji w ostatnich latach liczne zalety układów CPO zachęcały do rozwoju tej technologii. Czynnikiem sprzyjającym były także rosnące wymagania stawiane centrom danych pod kątem prędkości transmisji, gęstości połączeń na panelu przednim i sprawności energetycznej. Postępom w dziedzinie układów CPO sprzyjał też trend miniaturyzacji i rozwój obudów 2,5D/3D, napędzany z kolei przez upowszechnianie się chipletów oraz postępy w dynamicznie rozwijającej się dziedzinie fotoniki krzemowej.
Monika Jaworowska
