光模塊的發(fā)展以及在Hyperscale用戶中的演進

  ICCSZ訊 如果看過康寧公眾號之前的一些康寧光連接方案和產品，那么相信讀者對于康寧MTP和LC等數據中心中常用的連接產品標準，性能和優(yōu)勢略知一二。小編今天來介紹下用于連接MTP和LC接口的光模塊(optical transceiver)的歷史以及演進。

  光模塊發(fā)展歷史

  在正式展開光模塊發(fā)展歷史之前，我們先來聊聊促進光模塊和數據中心發(fā)展的原始驅動力。

  隨著通信技術，基于互聯網應用的不斷發(fā)展，人們對于計算能力和數據存儲的要求，漸漸地從個人主機往“云”上遷移，而企業(yè)原有的一些內部計算存儲需求，也隨著云計算壯大帶來的成本和管理優(yōu)勢，遷移上了“云”。個人和企業(yè)對于計算和存儲能力的需求，正是促進數據中心在最近數十年大發(fā)展的驅動力。而所謂的“云”對應的基礎設施正是數據中心。

  數據中心里有什么?數據中心里面其實就是碼放整齊的服務器和各類交換機/路由器。而服務器和交換機上插滿了各種光模塊，以用于數據的傳輸和交換。

Source: mellanox.com

  如下圖所示，數據中心內部的數據交換量占了70%以上的比例，而不同的數據中心之間的DCI(Data Center Interconnection)數據通信僅為13%左右，這也就可以理解為什么數據中心業(yè)務大發(fā)展階段，與之對應的光模塊發(fā)展如此的迅速。

  講到這兒，我們開始介紹下光模塊(optical transceiver)的歷史。

  從原始社會通信基本靠吼，到飛鴿傳書，再到電話電報，直到當今的光網絡，通信技術一直不斷往前發(fā)展。但是完成信息傳遞的三個基本要素，即信源、信通道和信宿，也就是信息的發(fā)送、傳遞和接受，這三點缺一不可;所有技術的發(fā)展都是圍繞著這三點來實現的。

  當通信進入到應用現代科技階段時，先是以電為研究對象，從電的特性出發(fā)，改善通信的質量。從早期的固定電話，到2G、3G無線通信基本都是基于電的通信方式。大家最近這些年常常聽到的“光進銅退”，指的就是由于電纜這種介質本身特性無法實現高速率信號的長距離傳輸，從而限制了它的進一步發(fā)展。用電傳輸信號，隨著傳輸距離增加頻率越高損耗越大，信號變形越厲害，從而引起了接收機的判斷錯誤，導致通信失敗。為了克服這個限制，光模塊就是把電信號在發(fā)射端轉成光信號，就是我們說的Transmitter, 即發(fā)送器，它負責將設備產生的電信號轉換成光信號發(fā)出;而在接收端再把收到的光信號轉換成電信號，就是Receiver，也叫做接收器。如果把Transmitter和Receiver做在一個封裝模塊里，就成了Transceiver，既可以發(fā)送也可以接收，光模塊(optical transceiver)就是這樣形成。

  早期的光模塊從一開始155Mb/s(一秒鐘傳輸155萬個比特)，到622Mb/s,1.25Gb/s,2.5Gb/s一直到10Gb/s，利用的是時分復用的技術，也就是TDM(Time Division Multiplexing)，在單位時間內傳輸更多的比特數。但一個光模塊的傳輸速率再快，也不如幾個同時一起傳輸，那么就慢慢有了并行傳輸，稱之為parallel，4個并行的叫QSFP, 12個并行的叫CXP。

  對于短距離傳輸來說，并行傳輸多用的一些光纖對于材料和建設成本并無多大區(qū)別。但對于長距離通信來說，鋪設一根光纜的建設成本遠遠大于材料本身，長距離傳輸時，TDM時分復用會受限于電子器件開關頻率，那么用一根光纖來傳輸多個波長的技術就隨之誕生，我們稱之為WDM(Wavelength Division Multiplexing)， WDM又分為兩種，20nm間隔的CWDM(Corse DWM, 粗波分復用)和0.8nm間隔的DWDM(Dense WDM密集波分復用)。

  光模塊的封裝形式

  接下來，我們再來了解下光模塊的封裝形式(Package Form)，這個是最首要的Transceiver的分類方式，也是產品線劃分的依據。

  在光模塊行業(yè)成型之前，早期由各大電信設備制造商各自開發(fā)，接口五花八門，互不通用。這樣導致光收發(fā)模塊大家用起來都不方便，于是大家一起制定規(guī)則，就有了MSA(Multi Source Agreement), 多源協議。有了MSA標準之后，獨立專注于開發(fā)Transceiver的公司開始嶄露頭角，隨之行業(yè)興起。

  篇幅原因，無法詳細解釋所有光模塊。那么我就來看看常見的幾種，例如SFP/XFP/SFP。

  隨著工藝水平的不斷提高，Transceiver尺寸越做越小，有了SFP(Small Form-Factor Pluggable)的Transceiver模塊，也稱為小封裝可插拔模塊，支持熱插拔，即插即用。SFP的速率越做越高，從1.25G， 2.5G， 4G， 6G，到了10Gb/s以后，原先的封裝大小就放不下那么多的元器件了，就定義了新的標準XFP。XFP指的是10Gb/s速率的可插拔光模塊。技術一直在進步，到了2009年集成工藝的提升，終于可以把XFP塞進SFP，這種新的SFP的Transceiver稱作 SPF+，即增強型SFP模塊。SFP和SFP+尺寸大小，連接器定義，功能完全相同;為了區(qū)分，把支持8Gb/s以上的SFP稱為SFP+。

  Parallel并行光模塊的演進

  人們對于帶寬的需求不斷增加，那么同樣對于數據中心內的Transceiver速率提出了更高的要求，TDM光模塊的限制顯現出來了。到了10Gb/s的時候，新的設計思路是把Transceiver做的更小，同時把幾個Transceiver裝在與原來大小一樣的封裝里，Parallel的光模塊由此誕生。如下圖所示，QSFP+和SFP+封裝的尺寸對比。

  Parallel QSFP+光模塊的興起，并不意味著SFP+的退出。用戶會根據自己的需求以及產品的性價比來選擇不同的光模塊。因此，SFP+仍有其存在的理由和市場;隨著技術的不斷提升，SFP+也推出了28Gb/s的產品。

  談到這兒，順便提一下光模塊的光接口類型。對于傳統(tǒng)的XFP/SFP+，有兩個光接口，一收一發(fā)，使用的是LC類型的接口。對于Parallel模塊，QSFP(4收4發(fā))甚至CXP(12收12發(fā))，那么就需要用到多發(fā)多收，即MPO(MPO是Multiple fiber push-on/push off)接口。康寧的數據中心解決方案里使用了更高工藝標準的USCONEC MTP 接口，根據光模塊接口類型，我們提供MTP8，MTP12， MTP 16和MTP24接頭類型。

  光模塊作為信號的信源和信宿，擔當了通信三要素中的亮點。與此同時，康寧提供的數據中心產品方案則是信道，信道的可靠性對通信起著至關重要的作用。關于如何選擇LC和MTP接頭的連接產品，可以參考公眾號之前發(fā)布的文章。

  對于光模塊而言，應用在什么交換機上不重要，重要的是根據距離選擇合適的模塊類型，以100G為例：

  Hyperscale客戶對于未來光模塊的需求  當然目前100G主流的光模塊應用仍然是小于100m QSFP SR4。大型的Hyperscale云服務供應商在光模塊選型上，更多的會從產業(yè)成熟度、穩(wěn)定供應、平滑升級的幾個方面去考慮并設計對應的架構。

  目前Hyperscale超大型數據中心的建設方主要是云服務提供商，例如亞馬遜，微軟，谷歌，阿里巴巴, 騰訊等。對于以上云服務提供商的數據中心，單體數據中心的機柜數量往往在1萬以上，規(guī)模非常龐大。這些云服務提供商對于各自數據中心物理和邏輯架構的設計各有千秋。上文中提到的數據中心流量的覆蓋，絕大部分在數據中心內部，也就是服務器和交換機之間。大量的數據中心內部流量覆蓋也對應了龐大的光模塊需求數量。數據中心作為高投資和高能耗的設備集群，對于建設的要求始終是更高的投資回報率、更低的能源消耗和使用率。那么對應到光模塊的要求，更多會考慮整體成本以及更低的功耗。

  以400G為例，中國的阿里巴巴和騰訊均在公開場合公布了400G的建設計劃，并預計在2020年會有試驗的400G 網絡，逐步鋪開，并將根據整體架構設計綜合考慮光模塊的選型。下圖是目前400G光模塊的潛在產品和標準。我們可以看出，多模并行和單模并行的光模塊都是繼續(xù)8芯的應用。康寧早在2015年就推出了EDGE8TM的數據中心連接方案，提供了靈活的產品配置以滿足400G的組網和架構需求。

  再來展望一下hyperscale數據中心基于業(yè)務和應用的前景。近幾年我們常聽到AI人工智能，BLOCK CHAIN區(qū)塊鏈和大數據等前沿技術，那么這些技術對于數據中心有什么影響呢?就拿AI人工智能舉例。早在2014年，谷歌公司就在其中一個數據中心設施中部署了Deepmind AI(使用機器學習和人工智能的應用程序)。其結果是，能夠將數據中心用于冷卻的能源減少40%，這相當于在考慮到電氣損耗和其他非冷卻效率之后，PUE(Power Usage Effectiveness一種評估數據中心能源效率的指標)值減少了15%，這也產生了該數據中心有史以來最低的PUE。基于這些顯著的成本節(jié)省，谷歌公司希望在其他數據中心中部署該技術，并建議其他公司也這樣做。

  Facebook公司秉承的使命是“讓人們有能力建立社區(qū)，讓世界更緊密地聯系在一起”，Facebook公司的應用機器學習白皮書從數據中心基礎設施視角進行概述，它描述了支持全球范圍內機器學習的硬件和軟件基礎設施。

  為了讓人們了解人工智能和機器學習需要多少計算能力，百度公司硅谷實驗室的首席科學家Andrew Ng表示，培訓百度的中文語音識別模型不僅需要4TB的訓練數據，還需要20個計算機的exaflops(百億億次)計算量，也就是整個培訓周期內需要200億次數學運算。而這些計算能力需要靠數據中心具備更高的計算能力，以及更快的內部傳輸速率來實現。

  如何搭建數據中心內部或數據中心之間的流動數據高速公路?其實從hyperscale 100G的數據中心架構開始，SPINE-LEAF脊葉架構成為主流的架構。這種架構滿足了數據中心東西流量需求的同時，也帶來了更為復雜的服務器到交換機，以及不同層級交換機之間的交叉互聯，這種交叉連接的部署，對于布線的挑戰(zhàn)，甚至布線管理的難度，提出了更高的要求。我們將這種交叉連接稱為MESH網絡，hyperscale數據中心在設計時除了考慮基礎設施的PUE，設備，光模塊的選型之外，如何滿足迅速擴展的云計算業(yè)務，加速數據中心scale out(橫向擴展)和scale up(縱向擴展)也是非常重要的考慮因素。康寧作為專業(yè)的光通信連接方案廠商，能提供優(yōu)于行業(yè)標準的，更可靠穩(wěn)定的產品和方案，針對于MESH的應用，康寧也有MESH模塊(module)產品幫助客戶快速實現數據中心的scale out/up。

  另外，對于400G超大規(guī)模數據中心的連接設計，單模SM MPO連接產品使用比例進一步攀升，對于SM MPO接頭工藝的要求變得更高。康寧高品質的MTP單模和多模連接產品，能為數據中心的快速建設和安全運營提供更得力的保障。

  更多康寧光連接產品方案，請訪問康寧產品網站：http://www.corning.com/cn/zh/products/communication-networks/products.html