Viden

1.400G, den er virkelig her

For ikke så længe siden, i marts 2024, åbnede China Mobile verdens første 400G helt optiske interprovinsiale (Beijing Indre Mongoliet) trunklinje, som betragtes som en vigtig milepælsbegivenhed.

Årsagen til at opgradere backbone-netværket til 400G er indlysende.

På den ene side fortsætter væksten i forbrugernes internettrafik som følge af beboernes digitale liv (high-definition video, telekonferencer, online live-udsendelse, onlinespil osv.) stadig.

På den anden side fremmer hele industrien digital transformation, og stigningen i trafikken fra industriens digitale systemer har forstærket presset på backbone-netværkene.

Den pludselige stigning i presset på backbone-netværket skyldes også en nøgleårsag - eksplosionen af ​​AI.

Efter fremkomsten af ​​den store AIGC-model udløste den en bølge af kunstig intelligens. For at imødekomme AI-virksomhedens behov er det nødvendigt at bygge et stort antal intelligente computercentre. Modellen har udviklet sig fra milliarder af parametre til billioner af parametre, og GPU-computerkraftklyngen har også flyttet sig fra en klynge med tusinde kort til en klynge med ti tusinde kort eller endda hundrede tusinde kortklynge.

En GPU-computerkraftklynge er faktisk en række massive GPU-kort (GPU-servere), der er forbundet sammen gennem højtydende netværk såsom InfiniBand og RoCEv2. Den har ekstremt høje krav til netværkets ydeevne og pålidelighed, hvilket direkte påvirker træningseffektiviteten og omkostningerne.

Alene med hensyn til netværksporthastigheden på GPU-servere er den allerede startet fra en enkelt port på 400G og kræver endda 800G eller højere.

Netværksporte på GPU-servere

Tidligere tilhørte GPU-computerkraftklynger kategorien DCN (Data Center Network). Nu, med den kontinuerlige udvidelse af klyngestørrelsen, er vi begyndt at overveje at anvende distribuerede intelligente computercentre til modeltræning.

Det vil sige, at flere intelligente computercentre forskellige steder vil blive brugt sammen til træning.

Dette stiller højere krav til DCI (Data Center Interconnection Network), og det optiske kommunikations-backbone-netværk skal kunne imødekomme dette krav med hensyn til teknisk ydeevne.

Vores lands strategi inden for computerkraft følger stadig ideen om "national koordinering og overordnet layout". Fra februar 2022 har Kina lanceret East West Computing Project for at skabe et landsdækkende integreret computerkraftsystem.

Enkelt sagt skal vi på den ene side bygge et stort antal datacentre (svarende til kraftværker), og på den anden side skal vi også bygge et robust backbone transmissionsnetværk (svarende til et elnet) til at distribuere denne computerkraft og opfylde behovene i forskellige industrier.

Hvordan blev 400G opnået?

Det nuværende optiske kommunikations backbone-netværk, som grundlaget for hele det digitale samfund, skal have flere egenskaber såsom ultra stor båndbredde (400G, fremtidig 800G eller endda 1.6T), ultra-lav latency (multi-level latency cirkel), ultra stor skala netværk (serverer distribueret databehandling og AI-klynger nævnt tidligere), ultra-høj stabilitet, ultra-høj pålidelighed, ultra-høj sikkerhed, ultra fleksibel udrulning, intelligent drift og vedligeholdelseskontrol mv.

I dag vil vi hovedsageligt tale om den vigtigste hastighedsbåndbredde.

Udviklingen af ​​optisk kommunikationsteknologi til i dag, for at opnå hastighedsforbedringer, er intet andet end at fokusere på følgende aspekter:

For det første er der baudraten.

Transmissionshastighed, også kendt som bithastighed, er antallet af bits transmitteret pr. tidsenhed, målt i bits pr. sekund.

Bithastighed=baudhastighed ganget med antallet af binære bit, der svarer til en enkelt modulationstilstand.

Baudraten er antallet af symboler, der transmitteres pr. tidsenhed. Jo højere baudraten er, jo flere symboler transmitteres i sekundet, og selvfølgelig, jo større informationsmængde, hvilket fører til en stigning i hastigheden.

Baudraten bestemmes af den optiske enheds kapacitet. Jo mere avanceret enhedens chipproces er, desto højere baudrate og jo højere bithastighed.

På nuværende tidspunkt er CMOS-processen steget fra 16nm til 7nm og 5nm, og baudhastigheden er gradvist steget fra 30+GBaud til 64+GBaud, 90+GBaud og 128+ GBaud.

Den nuværende 400G er kommercielt tilgængelig takket være dens baudrate, der når 128Gbaud.

Lad os tage et nyt kig på moduleringsmetoden.

De 'binære cifre, der svarer til en enkelt modulationstilstand' i formlen lige nu, er bestemt af modulationsmetoden.

Modulationsskemaerne for 400G-teknologi omfatter i øjeblikket hovedsageligt 16QAM, 16QAM-PCS (PCS er en sandsynlighedsformende teknologi, som vil blive introduceret i detaljer næste gang) og QPSK, som er velegnede til forskellige applikationsscenarier.

Optisk kommunikation er forskellig fra trådløs kommunikation ved, at den ikke blindt forfølger højordensmodulation.

Jo lavere modulationsrækkefølgen er, jo lavere er kravene til linjen, og jo lavere omkostninger ved netværkskonstruktion. Så i den tidlige designfase af langdistance-backbone-netværk var fokus dybest set på 16QAM og QPSK. Senere kom 16QAM-PCS også med i konkurrencen.

Tidligere var der ingen omtale af "East West Calculation", og operatører mente, at 400G ikke ville kræve for langdistancetransmission. Derfor er brugen af ​​enheder med lav baudrate med mere moden teknologi og lavere priser kombineret med 16QAM med højere modulationsrækkefølge den almindelige mening i branchen.

Senere steg den på den ene side på grund af de stigende krav til transmissionsafstand fra over 1000 km til flere tusinde km. På den anden side modnes 128GBaud baud rate-enheder hurtigt (i DCN-scenariet steg 800G hurtigt, stimulerede og promoverede industrikæden), hvilket skabte betingelser for, at QPSK kunne skille sig ud.

QPSK har en højere tolerance for ikke-linearitet og kan passende øge inputeffekten sammenlignet med 16QAM-PCS. For det andet er back-to-back OSNR-tærsklen for QPSK optimeret sammenlignet med 16QAM-PCS. Desuden sikrer indstilling af kanalafstanden for QPSK til 150GHz næsten ingen filtreringsomkostninger under transmission.

Disse fordele har efterhånden gjort QPSK til branchens foretrukne valg for backbone-netværk og DCI.

En grov sammenligning af tre muligheder

Nu overvejes de to første muligheder mere almindeligt for bymæssige eller provinsielle applikationer.

For det tredje er det at udvide frekvensbåndet.

Baudraten og moduleringen påvirker hovedsageligt enkeltbølgehastigheden. Et fiberoptisk kabel kan have flere bølger, så længe spektralområdet er stort nok.

Enkeltbølgebåndbredde x enkeltfiberbølgenummer=enkeltfiberbåndbredde.

Som angivet i den foregående tabel når kanalafstanden på QPSK 400G 150GHz. Både traditionelt C-bånd og udvidet C-bånd er utilstrækkeligt til at imødekomme efterspørgslen efter spektrumbåndbredde.

Så C6T+L6T-metoden bliver gradvist vedtaget med en samlet spektrumbåndbredde på 12THz. Beregn, med 80 bølger og en enkelt bølge på 400G, er den samlede kapacitet af en enkelt fiber 32T. Hvis vi ofrer lidt afstand og bruger den til at spare omkostninger, kan implementering af QPSK eller 16QAM-PCS øge kapaciteten endnu mere og nå 48T.

For en detaljeret introduktion til frekvensbånd kan du se her: Hvad er frekvensbåndene til optisk kommunikation?

Det største problem med at udvide frekvensbåndet er, om enheden kan understøtte det, og om omkostningerne er kontrollerbare. De enheder, der henvises til her, omfatter ITLA, CDM, ICR, EDFA og WSS, som involverer transmission og modtagelse af lys samt udveksling og forstærkning af optiske veje.

Når det kommer til båndudvidelse, er der også et problem involveret, som er integration.

Den nuværende båndudvidelse er faktisk mere som en simpel binding af to systemer (C og L). To systemer fungerer uafhængigt, transmitterer gennem multipleksing og deler sig derefter i den modsatte ende, hver fortsætter med at behandle.

Hvis der er to systemer, vil volumen være større, strømforbruget vil være højere, og designet bliver mere komplekst. Så industrien er nødt til at studere, hvordan man integrerer enheder og virkelig laver et system, der understøtter forskellige udvidede bånd på samme tid. Det vil sige at opnå ægte integration.

Fiberoptisk kommunikation kræver udover optiske moduler og udstyr også opmærksomhed på fiberoptik.

Den nuværende almindelige fiberoptik er G.652D fiberoptik. 400G QPSK kan også sende 1500 km på G.652D med EDFA-forstærkning.

Efter flere års verifikation har industrien identificeret G.654E fiber som den nye efterfølger. Hvis du bruger den bedre ydende G.654E, under de samme forhold, kan transmissionsafstanden på 400G QPSK øges med mere end 30 %.

G. 654E fiberoptiske kabel har kapacitet til produktion i stor skala og vil blive installeret på langdistance trunk linjer i stor skala. G. Nogle optiske fibre med lavt tab i 654-serien er også blevet det foretrukne valg til langdistancetransmission over oceaner i undersøiske kabelsystemer.

Bortset fra traditionel fiberoptik. Industrien mener også, at flerkernefibre og hule fibre har brede anvendelsesmuligheder.

Multi core fiber er en form for rumlig divisionsmultipleksing, hvor flere fiberkerner indsættes i en fiber, og få tilstande bruges til at øge fiberens kapacitet markant.

Hule fiberoptiske kabler er endnu mere imponerende. Gør blot det fiberoptiske kabel hult og udskift glasfiberkernen med luft.

Hule fibre har vist sig at give større kapacitet, lavere latenstid, mindre transmissionstab og ultra-lav ikke-linearitet og betragtes bredt som en af ​​de mest lovende teknologier inden for optisk kommunikation af industrien.

Næste trin for 400G, 800G eller 1.6T?

Efter den officielle kommercielle skala på 400G vil hele industrien fokusere på det tekniske standardsystem ud over 400G.

Industrien diskuterer stadig intensivt, om de skal fortsætte med 800G, 1.2T eller 1.6T.

Hvis du vil opnå højere hastigheder, skal du arbejde videre med "modulationsmetode+baudrate". 130 GBd, eller endnu højere ved 260 GBd, er den uundgåelige retning. En højere baudrate betyder, at relaterede enheder skal følge med og danne en moden industriel kæde.

Ud over 400G kan vi ikke længere stole på QPSK. 16QAM-modulation er i øjeblikket en bredt anerkendt mulighed i branchen.

Frekvensbåndet skal også udvides yderligere. På baggrund af at udvide C og L, overveje at udvide til S-bånd, U-bånd, E-bånd osv. Hvis det er C+L+S, så er det 12T+5T, hvilket opnår en båndbredde på 17THz.

Med kombinationen af ​​flere faktorer kan transmissionshastigheden for en enkelt fiber i en enkelt retning overstige 100 Tbps, hvilket er lige rundt om hjørnet.

I datacentret har 800G (baseret på baud-hastigheder over 100GBd, enkeltkanal 100G) været kommercielt tilgængelig. Enkeltkanal 200G, 400G, 800G, det er bare et spørgsmål om tid. I denne henseende er fremskridtene hurtigere i udlandet.

Med den kontinuerlige stigning i kapaciteten stiger de teknologiske udfordringer, det medfører, også. Udviklingen af ​​optisk kommunikation er med andre ord afhængig af enheder, chips, processer og materialer.

For at opfylde de tidligere nævnte krav til strømforbrug, sikkerhed, drift og vedligeholdelse er den også afhængig af en række innovationer såsom teknologi, arkitektur, emballage, kunstig intelligens og digitale tvillinger. Der er stadig meget arbejde at gøre i op- og nedstrøms industrikæden. Vejen frem er stadig lang.