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Jun 14, 2024

Des modules optiques évolutifs pour les centres de données de demain

Les émetteurs-récepteurs optiques jouent un rôle clé dans les centres de données, et leur importance continuera de croître à mesure que l'accès aux serveurs et les interconnexions commutateur à commutateur nécessitent des vitesses de plus en plus élevées pour répondre aux exigences.

Les émetteurs-récepteurs optiques jouent un rôle clé dans les centres de données, et leur importance continuera de croître à mesure que l'accès aux serveurs et les interconnexions commutateur à commutateur nécessitent des vitesses de plus en plus élevées pour répondre aux demandes croissantes de bande passante entraînées par le streaming vidéo, le cloud computing et le stockage, ou les applications. virtualisation. Aujourd'hui, les centres de données à grande échelle disposent généralement de ports d'accès 10G qui s'interfacent avec des structures de commutation 40G, mais dans un avenir proche, les ports d'accès passeront à 25G et les structures de commutation à 100G. Nous passons ici en revue les défis introduits par les applications des centres de données sur les modules optiques et décrivons comment le secteur réagit pour répondre à la demande.

Un seul méga centre de données hébergeant des centaines de milliers de serveurs interconnectés par un maillage horizontal hautement redondant nécessite un nombre tout aussi élevé de liaisons optiques. Étant donné que chaque liaison doit être terminée aux deux extrémités par un émetteur-récepteur optique, le nombre d'émetteurs-récepteurs est au moins deux fois supérieur au nombre de liaisons optiques et peut atteindre des nombres encore plus élevés si des configurations de dérivation optique sont utilisées. Des volumes aussi élevés peuvent générer des coûts faibles pour les émetteurs-récepteurs optiques, même si ces modules fonctionnent à la pointe du débit de données élevé. Des prix de l'ordre de 10 $/Gbps pour des portées plus longues jusqu'à 1 $/Gbps pour des portées plus courtes ont été présentés comme un défi pour les fournisseurs, ce qui constitue clairement un objectif ambitieux étant donné que les prix actuels sont 5 à 10 fois plus élevés, bien qu'à différents débits de données ou dans un espace d'application différent.

Des réductions de coûts de cet ordre sont difficiles à obtenir en apportant seulement des améliorations mineures aux approches éprouvées en matière de conception et de fabrication de modules. Des spécifications assouplies, telles que l'abaissement de la température de fonctionnement maximale, la réduction de la plage de température de fonctionnement, la réduction de la durée de vie du produit et l'autorisation de l'utilisation de la correction d'erreur directe (FEC), sont des exemples qui peuvent contribuer à réduire le coût des modules, car elles permettent aux fournisseurs de modules d'adopter des conceptions à moindre coût avec des niveaux plus élevés d'intégration optique, un emballage non hermétique, un fonctionnement non refroidi ou des tests simplifiés.

Un facteur important qui détermine les applications des modules optiques est le facteur de forme. Les centres de données d'aujourd'hui se sont regroupés autour d'émetteurs-récepteurs au format SFP pour l'accès au serveur et autour d'émetteurs-récepteurs QSFP pour les interconnexions commutateur à commutateur. Les câbles en cuivre à connexion directe (DAC) sont généralement utilisés lorsque la distance jusqu'au port d'accès est inférieure à 5 m, avec des modules optiques ou des câbles optiques actifs (AOC) utilisés pour des portées plus longues. Les ports d'accès 10G utilisent des modules SFP+, mais ils passeront au SFP28 lorsque la vitesse d'accès passera à 25G. L'accès au serveur ne nécessite pas de portée au-delà de 100 m, ces modules sont donc généralement limités aux émetteurs-récepteurs basés sur VCSEL fonctionnant sur fibre multimode (MMF). Cependant, on s'attend également à ce que l'écosystème autour des voies 25G soit exploité dans des applications telles que les réseaux d'entreprise de nouvelle génération, ce qui stimulera la demande de modules SFP28 fonctionnant sur fibre monomode (SMF) sur des portées de 10 à 40 km.

Topologie du réseau Cloud Datacenter et chemin de mise à niveau prévu en termes de débit de données pour l'accès au serveur et la structure de commutation.

Les modules QSFP acceptent 4 voies d'entrée électrique et fonctionnent à 4 fois le débit de données du module SFP correspondant. Aujourd'hui, le 40G QSFP+ est largement déployé dans les structures de commutation des centres de données. Il existe deux schémas quelque peu concurrents pour l'interface optique : la fibre monomode parallèle (PSM) et le multiplexage par répartition en longueur d'onde (CWDM). PSM fonctionne sur 8 câbles plats SMF, où chaque voie optique occupe une paire de fibres duplex. Le PSM présente l'avantage potentiel d'un coût de module inférieur car aucun multiplexage de longueur d'onde n'est requis, mais les coûts des câbles et des connecteurs sont nettement plus élevés que ceux du duplex, ce qui se traduit par une installation de fibre optique plus coûteuse.

Quatre générations d'émetteurs-récepteurs côté client enfichables 100G : CFP, CFP2, CFP4 et QSFP28 (de gauche à droite).

CWDM fonctionne sur un câblage SM duplex et utilise le multiplexage par répartition en longueur d'onde pour combiner 4 voies dans une seule fibre. Ici, la norme Ethernet 40GBASE-LR4 existe comme spécification de référence pour l'interface optique. Étant donné que les voies circulent sur un seul brin de fibre, les liaisons CWDM sont compatibles avec la commutation entièrement optique, qui peut être utilisée pour la gestion et la reconfiguration du trafic des centres de données. Un défi avec les modules CWDM est que le coût est généralement plus élevé que celui du PSM en raison de la nécessité de composants supplémentaires tels qu'un multiplexeur ou un démultiplexeur optique, mais des réductions significatives des coûts peuvent être réalisées en réduisant la distance de transmission de 10 km (LR4) à 2 km (MR4). ou LR4-Lite).