800G 乙太網路新標準

隨著超大規模資料中心尋求更多頻寬並開始在其Spine網路中部署 400 GbE 連結,已經開始轉向新的 800 GbE 標準。業界已經在 QSFP-DD800 和 OSFP 外形尺寸中部署 2 個 400 GbE(總計 800G),以支援 25.6 Tb 交換器和線路卡。這 乙太網路技術聯盟 (ETC) 定義了基於 400 GbE PCS/FEC 雙實例的 800 GbE 標準。此外,800G可插拔收發器模組已由800G可插拔MSA、QSFP-DD MSA和OSFP MSA指定。

相干 400ZR 光學元件是資料中心 400 GbE 的關鍵驅動力,透過直接在相干鏈路上傳輸乙太網,使用 DCI(資料中心互連)互連區域資料中心。目前,已有一些專有的每波長 800G 相干光收發器可供使用。然而,為了實現互通性,光互聯網論壇 (OIF) 目前正在努力定義 800ZR 來解決 DCI 應用問題,並定義 800G-LR 來解決園區應用中長達 10 公里的單波長相干問題。

ETC 800 GbE 標準和新的 IEEE 802.3 800/1600 GbE 標準

那麼,800G標準制定進度如何?目前,IEEE 802.3 已成立 802.3df 工作小組來指定 800 GbE 和 1600 GbE。 IEEE 802.3df 工作小組的發展可分為三個主要項目:

  1. 定義 800/1600 GbE MAC、PCS 和 FEC。定義支援 800 GbE 的 PMD,例如 800-KR/CR、800G-SR8 (100 m)、800G-DR8 (500 m)、800G-FR8 (2 km)、800G-LR/LR8 (10 km)、和800G -ER/ER8(40 公里)。
  2. 主要工作將是定義新的每通道 200G 光學 PMD。定義 PMD,例如 800G-DR4 (500 m)、800G-FR4 (2 km) 和 800G-LR4 (10 km)。
  3. 主要工作是定義每通道 200G 電氣 IO。定義PMD,例如200G-KR/CR、1600G-DR8(500 m)、1600G-FR8(2 km)、800G-LR(10 km)和800G-ZR(80 km)。

IEEE 800G 標準涵蓋使用多模光纖的8x100G,傳輸距離長達100 m,8x100G 並行單模光纖,傳輸距離長達500 m,以及使用單模光纖的8x100G 波分複用(WDM),傳輸距離長達2 km 和10 km。其次是基於每通道 200G 的更有效率 PMD。 IEEE 802.3df 需要數年時間來開發 400G 以上的新乙太網路標準,因此乙太網路技術聯盟介入,在現有 400G 乙太網路的基礎上定義了 800 GbE MAC/PCS 標準。只需將 FEC/PCS VL(虛擬)通道數量增加一倍(從 16 條增至 32 條),就可以指定新的媒體存取控制 (MAC) 為 8 x 106.25 Gbps,並以 800 GbE 運行。透過主要利用 400G IEEE 802.3bs 標準,乙太網路技術聯盟在開發新的 800G 規範(他們稱之為 800G-ETC-R)(以區別於任何未來的 IEEE 標準)時節省了大量時間和精力。

下圖顯示了乙太網路技術聯盟800G介面的高階架構。 MAC 已擴展到 800G,但 400G 乙太網路標準中的兩個具有前向糾錯 (FEC) 功能的實體編碼子層僅稍作修改。 MAC 透過 32 個通道將資料分發到兩個 PCS,將 16 個通道的 25 Gbps 資料分發到每個 PCS。修改後的對齊標記被插入到每個PCS資料通道中,以確保可以接收和處理800G資料流。然後,32 個 PCS 通道在實體媒體附加 (PMA) 層中進行複用,以將 8 個 106.25 Gbps 通道饋送到實體媒體相關 (PMD) 層。

業界現在面臨的挑戰是採用具有 32 個 VL 的 ETC 800 GbE PCS/FEC,或者在 IEEE 802.3df 中基於 800 GbE 的 8 個 VL 和 1.6 TbE 的 16 個 VL 定義更高效的 PCS/FEC。

IEEE 802.3df 任務是一項重大任務,定義了 800 GbE 和 1.6 TbE,其中包括定義 13 個光學 PMD、6 個銅 (Cu) PMD 和 6 個 AUI。所有基於每通道100G 的PMD 將在快速通道專案(~2023 年)中,每通道200G 光學元件將在後續專案中(~2024 年),而每通道200G Cu/CR 將在後續專案中(~2024年)。~2026)。

Ethernet Rate Assumed Signaling Rate AUI
(lanes)
BP
(lanes)
Copper Cable
(pairs)
MMF 50m
(pairs)
MMF 100m
(pairs)
SMF 500m
(pairs)
SMF 2km
(pairs)
SMF 10km SMF 40km
200 Gb/s 200 Gb/s 1 1 1 1
400 Gb/s 400 Gb/s 2 2 2
800 Gb/s 100 Gb/s 8 8 8 8 8 8 8
200 Gb/s 4 4 4 1) 4
2) 4 λs
TBD Over single SMF in each direction Over single SMF in each direction
1.6 Tb/s 100 Gb/s 16
200 Gb/s 8 8 8 8
800G 可插拔模組選項

資料中心採用800G的關鍵部分取決於800G可插拔光收發器模組的可用性。這 800G Pluggable MSA 該小組指定了一個低成本的8x100G模組和一個4x200G模組。低成本 8x100G 模組指定了一個由 8 根平行單模 (PSM) 光纖組成的光學介面,長度從 2 米到 100 米,但 IEEE 802.3df 期望定義一個傳輸範圍為 500 米的類似 PMD。 4x200G 模組指定了一種光介面,該介面使用波分複用 (WDM) 在長度為 2 米至 2 公里的單模光纖上通過四個不同波長傳輸 200 Gbps 訊號。儘管 QSFP-DD800 和 OSFP 都定義了 800G 介面,但 800G 可插拔 MSA 並未指定收發器外形尺寸和電氣介面。

除此之外 QSFP-DD MSA 定義了名為 QSFP-DD800 的 800G 模組標準,支援 8x100G 介面。此模組規格包括八個電氣通道以及籠子和連接器系統。 QSFP-DD800 模組也向後相容於 8 通道 QSFP-DD 和 4 通道 QSFP28。

Optical Standards Implementation Tx/Rx Fibers Reach Form Factors
800G Pluggable MSA 8x100G PSM 8 100 m QSFP-DD800, OSFP, others
4x200G WDM 1 2 km QSFP-DD800, OSFP, others
IEEE 802.3df 8x100G PMM 8 100 m QSFP-DD800, OSFP, others
IEEE 802.3df 8x100G PSM 8 500 m QSFP-DD800, OSFP, others
IEEE 802.3df 8x100G WDM 1 2 km/10 km QSFP-DD800, OSFP, others
IEEE 802.3df 4x200G PSM 4 500 m QSFP-DD800, OSFP, others
IEEE 802.3df 4x200G WDM 1 2 km/10 km QSFP-DD800, OSFP, others
IEEE 802.3df 1x800G Coherent 1 10 km QSFP-DD800, OSFP, others

4x200G WDM 模組的 800G 可插拔 MSA 規範預計每聲道 200G 將成為未來 800G 及以上乙太網路速度的首選。該標準還建議在模組中加入額外的 FEC,以確保可靠運作。因此,目前800G的重點是8x100G方案,而4lane方案是未來性價比更高的方案。

隨著800G-ETC-R標準和8x100G可插拔模組解決方案成為800G乙太網路目前的焦點,資料中心內仍存在佈線和連接器的問題。 8x100G 解決方案每條鏈路需要 16 條光纖。多光纖推接 (MPO) 連接器和電纜包括多種可容納 16 條光纖的選項。 MPO-16 和 MPO-12 兩排(也稱為 MPO-24)是顯而易見的選擇。雙 MPO-12 連接器是新增功能,可用於 800G。除了這些 MPO 連接器之外,還有新型超小型連接器,例如 序號多維資料中心 支援靈活的連接埠突破選項。隨著 25.6 Tbps 交換器開始在資料中心部署,800G 連接埠分線可從一台交換器實現多達 256 個 100G 連接埠。這些高基數交換器為資料中心提供更高的密度和更高的效率。只有當 51.2 Tbps 交換晶片可用且支援 800G 甚至可能 1.6T 的連接埠開始出現時,這種趨勢才會持續下去。

800G 相干光學

使用相干光學技術正在朝著 800G 乙太網路邁出又一步。相干光學器件通常用於資料中心互連應用,可以使用高階調變技術在單根光纖上傳輸更多數據,傳輸距離更遠,從而以更低的功耗實現更好的頻譜效率。

光互聯論壇(OIF)成功發展 400ZR,400G相干光實現協議,支援80公里至120公里的鏈路。該標準採用雙偏振 DP-16QAM 調製,符號速率為 59.84 Gbaud,並配備可調諧雷射器,用於密集波分複用 (DWDM) 系統。可互通的 400ZR 可插拔光學元件利用嵌入模組中的低功耗數位訊號處理器 (DSP),補償光纖中的訊號色散。

現在,OIF正在利用400ZR標準來定義2-10公里(800LR)和80-120公里(800ZR)的800G相干光標準。 800ZR 標準針對資料中心互連應用,包括用於放大 DWDM 鏈路的可調諧雷射器,而成本較低的 800LR 是更適合校園案例的固定波長標準。這些標準的製定將帶來重大的技術挑戰。為了在單波長上達到 800G 傳輸,需要考慮更高階的調變(32QAM 和 64QAM)以及 90 Gbaud 或更高的更高符號率。

展望 800G 之外

隨著超大規模資料中心不斷努力應對激增的資料流量,800G 乙太網路交換器和可插拔光學模組將提供一些緩解。乙太網路技術聯盟的 800G 標準將有助於提供 800G 乙太網路解決方案,直到幾年後 IEEE 標準完成。隨著 800G 乙太網路交換器開始推出市場,8x100G 可插拔光學元件也應以 QSFP-DD800 和 OSFP 外形規格提供。展望未來,每個通道 200G 訊號將為 800G 提供額外的提升,並為 1.6Tb 乙太網路奠定基礎。

人工智慧硬體將持續成長並發揮其重要性

隨著人工智慧越來越重要並應用於更多應用,對人工智慧加速器硬體的需求將持續成長。無論是資料中心的人工智慧訓練還是網路邊緣的人工智慧推理,人工智慧硬體都將持續發展,處理能力和效率都會不斷提高。 OCP 旨在指定支援互通性和靈活性的開放式模組化人工智慧基礎設施,這無疑地幫助了人工智慧解決方案提供者的開發工作。隨著新的人工智慧加速器硬體的出現,它現在可以快速部署,為許多新的複雜人工智慧應用程式的數據提供動力。