200Gvs400G：誰是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)下一站？

  ICC訊 互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接全球 40 億多用戶，支撐著VR/AR、16K視頻、自動(dòng)駕駛、人工智能、5G、物聯(lián)網(wǎng)等層出不窮的數(shù)字化應(yīng)用。教育、醫(yī)療、辦公等用戶線上與線下的結(jié)合，正在影響和改變?nèi)藗兩畹姆椒矫婷妗?

  數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，作為互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，早已從最初的千兆、萬兆網(wǎng)絡(luò)，走到了“25G接入+100G互聯(lián)”規(guī)模部署的階段。

  100G互聯(lián)：全盒架構(gòu)被大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)看重

  “25G接入+100G互聯(lián)”的架構(gòu)下，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)通過三級組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模接入，單集群服務(wù)器規(guī)模可以超過10萬臺(tái)。

  如下圖所示，基于T1和T2層的Pod可以像樂高積木一樣靈活擴(kuò)展，按需建設(shè)。

  圖1：右側(cè)引用自 https://techblog.comsoc.org/2019/03/18/facebooks-f16-achieves-400g-effective-intra-dc-speeds-using-100ge-fabric-switches-and-100g-optics-other-hyperscalers/

  隨著大容量轉(zhuǎn)發(fā)芯片的能力提升以及100G光互聯(lián)成本的降低，市場上出現(xiàn)了單芯片交換機(jī)設(shè)備構(gòu)建100G互聯(lián)的全盒式設(shè)備組網(wǎng)方案。這種單芯片多平面的互聯(lián)方案，以12.8T芯片為典型代表，單芯片可提供128x100G的端口密度，單個(gè)POD可提供2000臺(tái)服務(wù)器的接入能力。

  圖2：典型128口100GE高密盒式交換機(jī)

  全盒式設(shè)備組網(wǎng)方案，相對傳統(tǒng)框盒設(shè)備方案，雖然網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和設(shè)備間的光互聯(lián)模塊數(shù)量有所增加，帶來了運(yùn)維工作量的增長，但因引入了高性能轉(zhuǎn)發(fā)芯片，有效降低了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)端口的單比特成本，對大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)吸引力很強(qiáng)。大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)一方面快速引入100G全盒架構(gòu)，以降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，另一方面基于自身較強(qiáng)的研發(fā)能力，提升網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化部署和維護(hù)水平來應(yīng)對運(yùn)維工作量增長挑戰(zhàn)。

  因此，大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)對于100G網(wǎng)絡(luò)方案思路趨同，全盒設(shè)備組網(wǎng)成為100GE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)的基座。

  網(wǎng)絡(luò)提速成為必然，誰會(huì)是下一站?

  25G接入+100G互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)方案促成芯片選型的統(tǒng)一和快速上量，充分說明了技術(shù)紅利驅(qū)動(dòng)了IDC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的快速演進(jìn)。隨著單芯片網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的推出，100G代際的技術(shù)紅利也已經(jīng)得到了完全的獲取。

  在當(dāng)前業(yè)務(wù)持續(xù)快速發(fā)展的背景下，帶寬升級成為必然。一個(gè)選擇題擺到了企業(yè)面前：選200G還是400G?

  網(wǎng)絡(luò)從來都不是孤立的存在，產(chǎn)業(yè)的環(huán)境是決定技術(shù)是否能夠成長、成熟的大土壤。

  我們先從網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)器和光模塊三方面審視下200G和400G的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀。

  200G vs 400G標(biāo)準(zhǔn)：協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)均已成熟

  在IEEE 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)過程中，200G標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)晚于400G標(biāo)準(zhǔn)。

  IEEE 802.3以太網(wǎng)工作組(Working Group)在完成BWA I(Bandwidth Assessment I)項(xiàng)目調(diào)研后，于2013年立項(xiàng)制定400G標(biāo)準(zhǔn)。2015年，為了進(jìn)一步擴(kuò)展市場范圍納入50G服務(wù)器和200G交換機(jī)規(guī)格，IEEE成立802.3cd項(xiàng)目，啟動(dòng)制定200G標(biāo)準(zhǔn)。

  因200G與400G規(guī)格具備相關(guān)性， 200G單模規(guī)格最終納入了802.3bs項(xiàng)目。屆時(shí)，400G已經(jīng)基本完成PCS、PMA、PMD的主要設(shè)計(jì)，200G單模規(guī)格總體上是基于400G單模規(guī)格減半制定。

  2017年12月6日，IEEE 802最終批準(zhǔn)IEEE 802.3bs 400G以太標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包含400G以太和200G以太單模，標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。IEEE 802.3cd 定義了200G以太多模的標(biāo)準(zhǔn)，于2018年12月正式發(fā)布。

  圖3：IEEE 802.3bs 400GE 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵里程碑，引自http://www.ieee802.org/3/bs/timeline_3bs_0915.pdf

  如下表所見，400G已實(shí)現(xiàn)全場景的標(biāo)準(zhǔn)支持，包括100m、500m、2km和長距80km。

  50G vs 100G服務(wù)器：100G服務(wù)器將會(huì)成為主流

  圖4：分析師機(jī)構(gòu)對網(wǎng)卡和服務(wù)器的發(fā)貨趨勢預(yù)測

  根據(jù)分析師機(jī)構(gòu)CREHAN的預(yù)測，截止2019年，50G和100G網(wǎng)卡都已經(jīng)啟動(dòng)發(fā)貨。25G網(wǎng)卡的下一代升級選擇上，整個(gè)產(chǎn)業(yè)在2018和2019年存在著搖擺。2019年50G和100G服務(wù)器發(fā)貨量產(chǎn)生了逆轉(zhuǎn)，但2020年后100G服務(wù)器的勢頭全面超越了50G服務(wù)器，產(chǎn)業(yè)又開始對100G服務(wù)器充滿信心。

  從CPU芯片來看，兩家主流廠商I廠和A廠都陸續(xù)推出了新的產(chǎn)品路標(biāo)。I廠支持PCIe 4.0的芯片將于2020年Q3推出，主流I/O達(dá)到50G，高端應(yīng)用時(shí)IO達(dá)到100G/200G。兩家巨頭預(yù)計(jì)將在2021年H1分別推出支持PCIe5.0的芯片，再次將主流I/O提高到100G，高端應(yīng)用時(shí)IO可達(dá)到400G【1】。

  因此，CPU芯片節(jié)奏和服務(wù)器發(fā)貨預(yù)測均顯示出50G曇花一現(xiàn)，100G服務(wù)器正快速成為主流。

  200G vs 400G光模塊：400G成本更優(yōu)，產(chǎn)業(yè)更成熟

  數(shù)據(jù)中心接入服務(wù)器從25G向100G演進(jìn)，那么當(dāng)前的100G互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該選擇200G還是400G呢?

  從上表可以看出，當(dāng)數(shù)據(jù)中心從10G服務(wù)器演進(jìn)到25G，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)從40G升級到100G，網(wǎng)絡(luò)帶寬增長一倍，但互聯(lián)成本、功耗卻保持不變，即Gbit互聯(lián)成本與功耗下降一半。所以100GE取代40GE成為25GE時(shí)代的主流網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方案。

  200GE和400GE光模塊與以往有點(diǎn)不同。傳統(tǒng)光模塊采用NRZ(Non-Return-to-Zero)的信號(hào)傳輸技術(shù)，采用高、低兩種信號(hào)電平表示數(shù)字邏輯信號(hào)的0、1，每個(gè)時(shí)鐘周期可以傳輸1bit的邏輯信息。而200G和400G光模塊皆采用了高階調(diào)制技術(shù)——PAM4(Pulse Amplitude Modulation 4四階脈沖幅度調(diào)制)。PAM4信號(hào)采用4個(gè)不同的信號(hào)電平進(jìn)行信號(hào)傳輸，每個(gè)時(shí)鐘周期可以傳輸2bit的邏輯信息，即00、01、10、11。

  因此，在同樣波特率條件下，PAM4信號(hào)比特速率是NRZ信號(hào)的2倍，傳輸效率提高一倍，有效降低Gbit成本。從光模塊構(gòu)成看，200G和400G模塊都是采用4-lane的主流架構(gòu)，所以模塊設(shè)計(jì)成本、功耗趨同。

  因?yàn)?00G模塊的帶寬是200G的兩倍，所以Gbit成本和功耗是200G的一半。

  另一方面，模塊成本除了架構(gòu)設(shè)計(jì)，也取決于規(guī)模上量的規(guī)模。根據(jù)第三方咨詢公司Omdia (原OVUM)的發(fā)貨數(shù)據(jù)， 對TOP8供應(yīng)商當(dāng)前在200G、400G模塊的布局梳理如下。

  如上圖所示，200G的模塊種類只有100m SR4和2km FR4兩種，其中100m SR4只有兩家供應(yīng)商。反觀400G的模塊種類達(dá)到了5種，TOP8廠商皆對100m、500m和2km模塊進(jìn)行了布局。400G的產(chǎn)業(yè)成熟度遠(yuǎn)勝于200G，客戶的選擇也更為豐富。

  這一分析結(jié)果也進(jìn)一步說明了由于PAM4技術(shù)的引入，存在成本和功耗的技術(shù)代價(jià)。對在成本、功耗敏感的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)迫切期望跨過200G邁入400G來吸納這個(gè)代價(jià)。采用同樣技術(shù)和成本構(gòu)成的400G在演進(jìn)方面更具競爭力。

  小結(jié)：400G接檔勢頭明顯，200G一代或?qū)⑻^

  數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)是服務(wù)于業(yè)務(wù)的存在。從業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)上看，高速增長的數(shù)字化建設(shè)將推動(dòng)100G服務(wù)器在2020年快速起量，并成為主流。從成本上看，由于數(shù)據(jù)中心光器件成本占整個(gè)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本的一半以上，由于PAM4技術(shù)的引入，400G光器件單Bit成本比200G光模塊更具優(yōu)勢，光模塊部署成本將直接帶動(dòng)整個(gè)整體建網(wǎng)成本的下降。

  從總體上看，400G接檔勢頭明顯，200G代際或成為臨時(shí)過渡或被直接跳過。