適用于超大規模數據中心的高效100G/400G光端機解決方案

Rang-Chen (Ryan) Yu

摘要：介紹了適用于超大規模數據中心的高效100G/400G光端機解決方案。

關鍵詞：數據中心；云計算；光端機

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.7.007

全球網絡數據中心的流量在十年來一直保持高速增長，在可預見的未來尚無任何減弱的跡象。智能手機及其他移動設備、社交媒體與應用、流媒體視頻、增強現實與虛擬現實日益普及，正在吸引著越來越多的新用戶，每位用戶持有的設備數量保持增長，并且每臺設備使用的數據量也在不斷攀升，這樣，數據中心的流量就發生了顯著的提升。據分析師預測，截至2020年，全球連接到互聯網的設備數量將達到2000億臺。近期的證據表明，逐步走向成熟的消費電子產品市場可能只是冰山一角。云計算和機器間的部署中數據帶寬的增長速度正在超過消費者的數據通信速率，推動著對大容量數據中心基礎設施的巨大需求。

數據中心和光學互連的增長趨勢

在過去的十年間，AWS、微軟、谷歌和臉書之類的頂尖互聯網站公司一直都忙于部署規模越來越大的數據中心，滿足客戶的需求，對于其中一些企業來說，在每座建筑物中使用的計算機服務器數量現在甚至已經超過了10萬臺。在房地產及電能的供應充足而成本較低的地區，這類超大規模數據中心的提供商將附近到處蔓生的數據中心的處理能力合并起來，從而充分利用起規模經濟。根據思科的預計，截至2020年，全部數據中心中近一半裝機的服務器都將位于超大規模數據中心之內。這些服務器將占到68%的處理能力，以及超過一半（53%）的數據中心總流量。

隨著云端需要為越來越多的關鍵任務型的商業應用及高時效性的消費者應用提供支持，在全球范圍內，數據中心的部署愈發要靠近人口中心。網絡公司建設的數據中心越來越多的采用多座建筑物，這些建筑物緊緊相鄰，通過極大的帶寬相互連接到一起。在人口較為稠密的地區，跨越各個相互獨立的電網來建立起數據中心，可以進一步地減少延遲、改善消費者的體驗。對于依靠一個單一電網的更大規模的數據中心來說，這一戰略還可以降低風險、克服局限。

在每一座超大規模數據中心建筑物的內部，都可能有數萬臺以至數十萬臺的計算機服務器，通過不同層次的以太網交換機相互連接到一起，形成一種集體性的計算能力，致力于網絡公司自身的服務（例如，谷歌或臉書），或者出租給企業客戶（例如，亞馬遜的AWS或微軟的Azur）。盡管可以通過很多種方案來實現計算器服務器的互連，在201 8年，典型超大規模數據中心網絡連接的特點在于采用了DAC（直連銅纜），在25或2x25 Gbps的速度下，在數米的距離內將服務器連接到架頂（ToR）服務器，然后再采用大量的100 Gbps光學鏈路，通過規模龐大的交換結構（通常稱為葉脊架構）實現ToR交換機的互連。根據這類數據中心的具體數量，典型的光學互連覆蓋范圍最大可達到500米（DR），但是大型數據中心所需的距離則要長達2公里（FR）。

當前一代的100 G光端機以4信道的光發送機和光接收機為基礎，分別在25 Gbps的速度下并行運行，從而達到100 Gbps的聚合帶寬。目前共有兩種類型的100G光端機：對于希望部署更多的光纖并且降低每臺光端機成本的用戶，適合使用PSM-4（并行單模一4）型的光端機。對于期望部署較少光纖的用戶，則更加適用CWDM4（粗放型WDM-4）型的光端機。這兩種類型的100G光端機在當今都已實現大批量的部署。

100G/400G的過渡及100G PAM-4技術即將到來

當前超大規模數據中心的特點在于互連速度過渡的速度更快，往往每三年發生一次迭代。極具創新性的100 G互連系統正在成為主流，在過去兩年間已經得到廣泛部署，而下一次的速度過渡也正在逼近。盡管當前正在考慮200 Gbps的速度，而業界的一致觀點則是400 Gbps將成為下一步自然而然的選擇。

當前基于4x25 G的100G技術的封裝過程過于復雜，并且無法擴展到400G。為了降低100G的成本，并且通過經濟的方式來支持400G的光學元件，業界正在轉向采用一項新的技術，采用在50GBaud下使用PAM-4（4級脈沖幅度調制）編碼的光學元件，從而實現每信道100G的速度，然后再通過4xl00G的聚合來達到400G的速度。制定100GLambda MSA（多源協議）的目的是定義這一新的行業標準，并已獲得了23家企業的推廣支持，而這就代表了一個廣泛的行業生態系統，其中包含了生產半導體集成電路、光端機模塊、網絡系統的企業，以及作為最終用戶的網絡公司。

采用單信道100G光學元件的巨大優勢包括顯著減少了光學元件的數量從而降低成本，為經濟型的400G速度構建起了堅實的基礎，并且，當電氣接口在未來遷移到100G的串行接口時，無需再逆向操作。據估計，PAM-4100 G在元件數量上可減少60%，而功率要求則可降低33%。

100G Lambda MSA最近還公布了一份規范的初稿，其中定義了100G FR（2公里）、100G LR （10公里）及400G FR4（2公里），并且還潛在地定義了400G LR4（10公里）。隨著數字信號處理以及高速硅光子學之類高速光電子設備技術的進步，我們預計業界將會很快采納并實施此類技術，現場的部署最早可能從2019年開始。

數據中心間（DCI）解決方案

在世界各地，超大規模數據中心都靠近人口中心部署，并且通過超高的帶寬互連起來。盡管各大洲各大洋之間部署了許多的超高速光纖鏈路，其中的大部分鏈路都連接在數據中心園區內的各個數據中心大樓之間，或者連接在同一都市區的各個數據中心之間。這些數據中心建筑通過極高的帶寬相互連接在一起，每秒的速度可達到數十兆位的級別。

對于幾公里范圍內互連到一起的數據中心，運營商可以選擇部署簡單的100G CWDM4（2公里）或100G LR4（10公里）型的光端機，然后再通過數百對的光纖來遷移到100G FR/LR（使用PAM-4技術）。如果光纖數量不足，并且添加更多的光纖成本過于高昂，那么運營商就可能選擇部署DWDM（密集波分復用）光端機解決方案，從而達到每對光纖40xl00G的聚合帶寬。對于這類園區內的短距離互連來說，與復雜性更高的相干傳輸技術相比，采用直接檢測的單信道100G PAM-4要經濟得多，是一種更具吸引力的解決方案，需要具有偏振復用/多路分解功能的振幅與相位調制/解碼功能，以及配有精密控制光學本機振蕩器的相干檢測功能。

對于80公里距離內的互連數據中心，采用了先進數字信號處理技術的100G PAM-4 DWDM在成本上仍然具有優勢，由于在全部DWDM信道上可以共享補償，因此在可調諧色散補償要求提高的情況下優勢依然明顯。將會采用相干檢測來覆蓋超出80公里的傳輸距離。在數據中心過渡到400G后，DCI解決方案將相應的擴展，而4xl00G PAM-4則仍可用于傳輸距離相對較短的DCI應用，相干的400G則將為其他的數據中心間連接拓展覆蓋范圍。

光端機形狀系數

對于100G的數據中心應用來說，業界采用了QSFP28（四分之一小形狀系數可插拔）收發模塊。由于業界正在為從100G過渡到400G進行準備，多種新興的MSA形狀系數都在參與競爭，希望爭得一席之地。其中一個領先的選項就是QSFP-DD（四分之一小形狀系數可插拔雙密度），這一選項衍生自QSFP28，數據的電氣連接性能高出2倍，而機械長度稍長一些，保留了與QSFP28的兼容性。QSFP-DD收發模塊與線纜籠改進了熱設計，支持1 2瓦以上的功率耗散。

另一個競爭對手是OSFP（八進制小形狀系數可插拔）光端機，與QSFP-DD接口相比，這一光端機的尺寸稍大一些也稍長一些。OSFP模塊的主要優勢在于形狀系數較大，這樣可實現更高的功率耗散，達到16瓦。不利之處則是缺少與QSFP28的向下的兼容性，而且尺寸稍大，降低了面板信息點的密度。

第三種MSA稱為COBO（板載光學元件聯盟），定義了一種脫離開系統面板信息點而直接配置在系統印刷電路板上的電氣接口。這種配置的優勢在于可以靈活的放置收發模塊，使其更加接近速度更高的開關集成電路接口，便于處理信號完整性上的問題。由于COBO收發模塊安裝在二維的印刷電路板表面，還可以為散熱器的實施提供更多的空間，從而潛在的為提高功率耗散的額定值而提供支持。

對于以快速的步伐進行大力投入、從而跟上技術發展與服務創新的潮流的主要的網絡公司來說，超大規模數據中心正在迅速的成為一種關鍵的基礎設施。在世界各地的超大規模數據中心內，對速度更快的電氣與光學信號技術的開發工作將繼續加速大規模的數據聚合。100G和400G光學技術的最新發展可以促成廣泛而又高效的超大規模數據中心連接解決方案，為內容日益豐富的數據密集型應用提供大力支持。