Wiedza, umiejętności

Wybór pomiędzy interkonektem optycznym a interkonektem elektrycznym nie polega na zadeklarowaniu, że jedna technologia jest szybsza lub bardziej zaawansowana. Przydatnym pytaniem inżynierskim jest to, czy każde medium mieści się w wymaganej przepustowości, zasięgu, mocy, gęstości, opóźnieniach i{1}}kosztach kosztów cyklu życia.

Połączenia elektryczne pozostają bardzo skuteczne przy krótkim zasięgu. W rzeczywistości obecne prace nad OIFInterfejsy elektryczne klasy-224 Gb/sjest przeznaczony do zastosowań typu chip-na-moduł, chip-na-chip oraz płyta montażowa/kabel-miedziany. Łącza optyczne stają się coraz bardziej atrakcyjne w miarę wzrostu zasięgu, łącznej przepustowości i gęstości okablowania, szczególnie gdy straty elektryczne i wyrównanie zaczynają zużywać więcej energii i marginesu projektu.

W tym przewodniku porównano te dwa rozwiązania na poziomie-pełnego łącza i podano praktyczne przykłady skrzyżowań, zamiast opierać się na jednej uniwersalnej odległości.

Połączenie optyczne i elektryczne w skrócie

Co to jest połączenie elektryczne?

Elektryczny interkonekt przesyła dane przez kanał przewodzący, taki jak ścieżka PCB, złącze, płyta montażowa lub kabel miedziany. Nadajnik wysyła sygnał elektryczny, a odbiornik rekonstruuje dane po przejściu sygnału przez kanał.

Sygnalizacja elektryczna jest dojrzała i może zapewnić bardzo wysoką wydajność. Wyzwanie polega na tym, że kanał nie pozostaje równie łatwy w użyciu w miarę wzrostu szybkości pasa i odległości. Tłumienie, nieciągłości impedancji, odbicia, przesłuchy i szumy mogą wymagać silniejszej korekcji nadajnika, korekcji odbiornika, korekcji błędów w przód, zmiany taktowania lub lepszych materiałów.

Praca OIF CEI-224G jasno pokazuje tę kwestię: elektryczne nie jest równoznaczne z niską prędkością. Projekt CEI-224G-MR ma na celu sygnalizację od 144 do 232 Gb/s na płytce PCB o długości do 500 mm i jednym złączu, natomiast CEI-224G-LR ma na celu ten sam zakres sygnalizacji na płycie montażowej o długości do 1000 mm i aż dwóch złączach. Są to celowo krótkie kanały fizyczne, ale bardzo wysokie stawki za pas.

W przypadku konwencjonalnego okablowania sieciowego miedź pozostaje przydatna tam, gdzie zainstalowany interfejs i odległość odpowiadają specyfikacji. HengtongaGama kabli krosowych Cat 6to jeden z przykładów szerszego ekosystemu miedzi stosowanego w łączności Ethernet-krótkiego zasięgu.

Co to jest interkonekt optyczny?

Interkonekt optyczny przenosi zmodulowane światło przez światłowód lub falowód fotoniczny. Praktyczne łącze zwykle obejmuje interfejs elektryczny, nadajnik lub modulator optyczny, kanał optyczny, fotodetektor i elektronikę odbiornika:

Dane elektryczne → nadajnik optyczny → kanał optyczny → odbiornik optyczny → dane elektryczne

Ten łańcuch konwersji ma znaczenie. Sam światłowód ma niskie straty i jest odporny na zakłócenia elektromagnetyczne, ale całe łącze optyczne nadal zużywa energię i zwiększa złożoność implementacji. Dlatego właściwym porównaniem nie jest kabel miedziany i gołe światłowód; jest to kompletna architektura nadajnika-kanału-odbiornika w porównaniu z inną architekturą.

Implementacja zmienia się także wraz z odległością.Światłowód wielomodowyjest powszechnie stosowany w przypadku łączy optycznych-o krótkim zasięgu, natomiastświatłowód jednomodowy-obsługuje architektury o większym-zasięgu i-o dużej pojemności. Na poziomie sprzętowym łącza optyczne zależą od komponentów takich jakszybkie-transceivery optyczne i komponenty optyczne.

Sześć różnic, które mają znaczenie w prawdziwym projektowaniu systemów

1. Przepustowość i zasięg należy oceniać łącznie

Sama przepustowość nie decyduje o medium. Linia elektryczna o bardzo dużej-prędkości może dobrze działać w ściśle kontrolowanym krótkim kanale, podczas gdy optyka może utrzymać wysoką łączną szerokość pasma na znacznie większych dystansach.

Dwie rodziny standardów ilustrują różnicę skali. Projekty elektryczne OIF CEI-224G dotyczą sygnalizacji 144–232 Gb/s w kanałach-podrzędnej tablicy licznikowej/płycie montażowej. Po stronie optycznej parametry bazowe IEEE P802.3bs 400GbE obejmują 400GBASE-DR4 dla co najmniej 500 m światłowodu jedno-jednomodowego, obiekt światłowodowy jednomodowy-o długości 2 km i obiekt światłowodowy jednomodowy-o długości 10 km. Nie są to bezpośrednie zamienniki-jeden do jednego, ale pokazują, dlaczego uniwersalna „odległość skrzyżowania” jest myląca: odpowiedź zależy od generacji interfejsu i klasy łącza.

ThePodsumowanie podstawowego standardu IEEE P802.3bsjest przydatne, gdy zespół projektowy musi połączyć docelową-szybkość transmisji danych z rzeczywistą klasą zasięgu, zamiast używać niejasnych wyrażeń, takich jak „duża prędkość” lub „duża odległość”.

2. Integralność sygnału staje się innym problemem

Łącza elektryczne muszą zarządzać tłumieniem wtrąceniowym, tłumieniem odbiciowym, odbiciami, przesłuchami i zakłóceniami elektromagnetycznymi. Kanały-o dużej szybkości często zależą od precyzyjnej kontroli impedancji, konstrukcji złączy, korekcji SerDes i symulacji kanału.

Światłowód usuwa kilka problemów-z kanałami elektrycznymi. Nie przewodzi prądu elektrycznego i nie jest podatny na zakłócenia elektromagnetyczne tak jak miedź. Może to mieć decydujące znaczenie w środowiskach z zakłóceniami elektrycznymi lub gdy wiele-szybkich kanałów musi przechodzić przez ograniczoną przestrzeń.

Optyka nie usuwa złożoności inżynierskiej; zmienia złożoność. Projektanci optyki muszą zarządzać integracją lasera lub źródła, utratą sprzężenia, czystością złączy, wyrównaniem, fotodetekcją, zachowaniem termicznym i pakowaniem optycznym.

3. Władza ma crossover, a nie uniwersalnego zwycięzcę

Krótkie łącze elektryczne może być bardzo energooszczędne,-ponieważ pozwala uniknąć konwersji optycznej. Ponieważ jednak kanał elektryczny staje się coraz twardszy, może być potrzebne większe wyrównanie, zmiana synchronizacji lub aktywna elektronika kablowa. Łącza optyczne wprowadzają własną moc lasera, modulatora i odbiornika.

Dlatego energia na bit jest bardziej użyteczna niż pytanie, czy „światłowód zużywa mniej energii”.Wymagania systemowe OIF-dostawcy dotyczące-energooszczędnych interfejsówdostarczają użytecznych celów inżynieryjnych, a nie uniwersalnego twierdzenia: jeden przypadek użycia-optycznego-interkonektora front-end wymaga mniej niż 10 pJ/bit dla silnika optycznego i lasera, podczas gdy przypadek-zaplecza interkonektu wymaga znacznie poniżej 4 pJ/bit. Są to wymagania i cele projektowe, a nie gwarantowane pomiary dla każdego produktu optycznego.

W tym samym dokumencie OIF rozdzielono także skalę wdrożeń:-frontowe połączenia danych-z centrum danych mogą rozciągać się na odległość w przybliżeniu 0–500 m, a czasem nawet do 2 km; łącza międzysieciowe-zaplecza akceleratora mogą rozciągać się do około 300 m; oraz lokalne interkonekty obliczeniowe opisano w zakresie 7–10 m. Jest to bardziej praktyczny sposób myślenia o skrzyżowaniu niż szukanie jednej magicznej odległości.

4. Opóźnienie zależy od całego łącza

Optyka nie powinna być automatycznie traktowana jako opcja o niższym-opóźnieniu. Propagacja to tylko część opóźnienia od końca do-końca. Łącze optyczne może obejmować modulację, konwersję elektryczną-na-optyczną, fotodetekcję, przetwarzanie FEC i odbiornika. Łącze elektryczne może obejmować serializację, korekcję, FEC i retimery.

Jeśli opóźnienie jest ograniczeniem projektowym, porównaj pełną ścieżkę od nadajnika do odbiornika, łącznie z każdym retimerem, stopniem DSP i FEC. Krótsza ścieżka fizyczna z większym przetwarzaniem może przegrać z dłuższą ścieżką z prostszą ścieżką danych.

5. Gęstość, masa kabla i przepływ powietrza stają się ograniczeniami systemu

W skali problem nie polega tylko na tym, ile gigabitów przenosi jedno łącze. Jest to ilość przepustowości, która może przejść przez płytę czołową, korytko kablowe, szafę lub zestaw przełączników bez blokowania przepływu powietrza lub zajmowania nadmiernej przestrzeni na routing.

Światłowód może przenosić dużą łączną przepustowość w stosunkowo małym przekroju-kabla. Architektury-optyki równoległej wykorzystują także łączność wielo-światłowodową, npProdukty MPO/MTP, które są powszechne w-okablowaniu centralnym-przesyłania danych o dużej gęstości.

6. Zmiany kosztów po przejściu od ceny komponentu do kosztu cyklu życia

Połączenia elektryczne często wygrywają pod względem początkowego kosztu komponentów przy krótkim zasięgu. Łącza optyczne dodają moduły nadawczo-odbiorcze, interfejsy optyczne i wymagania dotyczące-zarządzania światłowodami. Nie oznacza to, że optyka automatycznie ma niższy koszt całkowity w skali.

Przydatne porównanie całkowitego kosztu posiadania powinno obejmować:

• koszt kabla, złącza i transceivera;
• retimer, elektronika AEC lub-kondycjonowania sygnału;
• przełącznik i zasilanie portu NIC;
• chłodzenie związane z elektroniką łącza;
• gęstość portów i ograniczenia płyty czołowej;
• wysiłek związany z instalacją i konserwacją;
• cykli aktualizacji i czy zainstalowany nośnik będzie w stanie obsługiwać przyszłe interfejsy.

Zamiast zakładać, że jedno medium ma niższy całkowity koszt posiadania, porównaj rzeczywistą liczbę portów, zasięg i oczekiwany horyzont modernizacji.

Kiedy połączenie elektryczne jest zwykle lepszym wyborem

Łączność elektryczna jest zwykle preferowana, gdy kanał jest fizycznie krótki, a wybrany interfejs elektryczny ma wygodny margines integralności-sygnału.

• Wewnątrz opakowania, płyty lub obudowy:łącza elektryczne pozwalają uniknąć niepotrzebnej konwersji optycznej i wykorzystują dojrzały ekosystem projektowy.
• Krótkie trasy kablowe z ustalonym standardem miedzi:miedź może być prosta, niedroga i łatwa w serwisowaniu.
• Moc musi podróżować z połączeniem:nadal wymagana jest infrastruktura przewodząca. Jeśli projekt wymaga zarówno danych optycznych, jak i zasilania w jednej konstrukcji kablowej, afotoelektryczny kabel kompozytowymogą łączyć światłowód i przewodniki elektryczne, ale same światłowody nie przenoszą energii elektrycznej.
• Wymagana szerokość pasma jest znacznie niższa od limitu kanału elektrycznego:dodanie optyki nie tworzy wartości, jeśli istniejące łącze elektryczne spełnia już docelowy zasięg, moc i gęstość.

Kiedy połączenie optyczne staje się lepszym wyborem

Argument za optyką staje się silniejszy, gdy kilka ograniczeń pojawia się jednocześnie, a nie wtedy, gdy jedna liczba przekracza ustalony próg.

• Zasięg przesuwa się od skali płyty/obudowy do skali w szafie, rzędzie lub-centrum danych.
• Łączna przepustowość rośnie szybciej niż dostępny margines kanału elektrycznego.
• Retiming, korekcja lub aktywna elektronika miedziana pochłaniają niedopuszczalną część budżetu mocy.
• Problemy z zakłóceniami elektromagnetycznymi, przesłuchami lub uziemieniem są trudne do opanowania.
• Gęstość portów, masa kabli lub przepływ powietrza stały się fizycznymi ograniczeniami projektowymi.
• Oczekuje się, że zakład okablowania będzie obsługiwał wiele przyszłych generacji-szybkich interfejsów.

Warunki te są powszechne w-obliczeniach o dużej gęstości iłączność z centrum danych-, gdzie ten sam system może wykorzystywać łącza elektryczne w obrębie serwerów i łącza optyczne pomiędzy szafami lub warstwami przełączającymi.

Punkt przecięcia: użyj macierzy zasięgu, przepustowości i mocy

Nie ma uniwersalnej odległości, w której kończy się miedź, a zaczyna optyka. Lepszym podejściem jest sklasyfikowanie połączenia według skali fizycznej, a następnie sprawdzenie, czy wdrożenie elektryczne nadal ma margines.

W przypadku sztucznej inteligencji/HPC wymagania OIF dotyczące-efektywnego-interfejsu stawiają-frontend, backend-łącza obliczeniowe i lokalne łącza obliczeniowe w różnych kategoriach zasięgu i mocy. Przewodnik Hengtongamiedź kontra światłowód w centrach danych AImożna wykorzystać jako następcę-odczytu, gdy decyzja jest powiązana z architekturą klastra AI, a nie ogólną siecią.

Połączenia optyczne i elektryczne zwykle współpracują ze sobą

Wiele nowoczesnych systemów ma konstrukcję hybrydową. Sygnalizacja elektryczna pozostaje skuteczna w pobliżu procesorów, pamięci, przełączników ASIC i innych elementów elektronicznych. Łącze przechodzi na optykę, gdzie odległość, gęstość pasma lub ciśnienie-integralności sygnału uzasadniają konwersję.

Punkt przejściowy również się przesuwa. W ramach wspólnego-opakowania OIF zdefiniowano moduł-co-package o przepustowości 3,2 Tb/s do zastosowań związanych z przełączaniem sieci Ethernet, którego celem jest około 140 Gb/s na milimetr przepustowości brzegowej. Szerszym kierunkiem rozwoju branży jest raczej zmniejszenie-długości ścieżki elektrycznej o dużej prędkości pomiędzy układem ASIC a silnikiem optycznym, niż całkowite wyeliminowanie sygnalizacji elektrycznej.

TheUmowa na wdrożenie wspólnego pakowania OIF 3.2Tjest użytecznym odniesieniem do zrozumienia, dlaczego „optyka kontra elektryczność” jest coraz częściej kwestią architektoniczną.

Powszechne nieporozumienia

„Optyczny jest zawsze szybszy”.

Nie. Optyka ma duże zalety w zakresie przepustowości i zasięgu, ale wydajność od końca do-końca zależy również od nadajnika, odbiornika, DSP, FEC i protokołu. Krótki interfejs elektryczny może spełniać te same wymagania aplikacji przy mniejszej liczbie etapów konwersji.

„Optyczny zawsze zużywa mniej energii”.

Nie. Krótkie połączenie elektryczne może być niezwykle wydajne. Optyka staje się bardziej atrakcyjna, gdy kompletna implementacja elektryczna wymaga znacznej korekcji, zmiany synchronizacji lub aktywnej elektroniki kablowej. Porównaj pJ/bit dla pełnego łącza.

„Miedź jest przestarzała”.

Nie. OIF aktywnie definiuje interfejsy elektryczne-klasy 224 Gb/s dla systemów nowej-generacji. Połączenia elektryczne pozostają niezbędne w pobliżu komputerów i wewnątrz sprzętu.

„Interkonekt optyczny oznacza wyłącznie światłowód”.

Nie. Łącze optyczne obejmuje-komponenty elektrooptyczne, opakowanie i elektronikę. Światłowód może być częścią kanału o-najniższych stratach, ale nie jest to cały system.

Często zadawane pytania

W jakiej odległości interkonekt elektryczny należy zastąpić optycznym?

Nie ma uniwersalnego dystansu. Przy bardzo dużych prędkościach na pasie standardy elektryczne można zoptymalizować dla-płyty podlicznikowej i kanałów płyty montażowej, podczas gdy standardy optycznego Ethernetu obsługują setki metrów lub kilometrów. Decyzja powinna uwzględniać zasięg, przepustowość pasa, łączną przepustowość, moc, gęstość i koszt.

Czy połączenie optyczne jest lepsze dla centrów danych AI?

Jest to często ważne w przypadku łączy-skalowanych wszerz i-o dużej gęstości, ale w wielu krótkich połączeniach w pobliżu akceleratorów i krzemowych przełączników nadal dominują łącza elektryczne. Obecne wymagania OIF wyraźnie traktują-frontend, backend-interkonekty obliczeniowe i lokalne połączenia obliczeniowe jako różne przestrzenie projektowe.

Czy połączenie optyczne zmniejsza opóźnienia?

Nie automatycznie. Propagacja optyczna to tylko jedna część opóźnienia. Konwersja, DSP i FEC mogą mieć znaczenie tak samo jak nośnik. Porównaj pełną ścieżkę danych.

Czy interkonekt optyczny przenosi energię elektryczną?

Światłowód tego nie robi. Wymagany jest oddzielny przewodnik. Hybrydowy lub fotoelektryczny kabel kompozytowy umożliwia umieszczenie włókien optycznych i przewodników elektrycznych w tej samej konstrukcji kabla, gdy potrzebne są zarówno dane, jak i zasilanie.

Jaki jest najbardziej przydatny wskaźnik do porównywania mocy?

Wykorzystaj pełną-energię łącza na bit, łącznie z całkowitą mocą portu i wpływem na chłodzenie. Sama moc komponentów może ukryć koszt retimerów, DSP, laserów lub aktywnej elektroniki kablowej w innych miejscach na ścieżce.

Czy optyka-w pakietach zastąpi wtykową optykę i interkonekty elektryczne?

Nie jako uniwersalny zamiennik. Optyka-w pakiecie to jedna z architektur umożliwiających zbliżenie silnika optycznego do krzemu przełączającego lub obliczeniowego. Wtykowe elementy optyczne, aktywne kable elektryczne, pasywne łącza elektryczne na poziomie miedzi i płytek- będą w dalszym ciągu odpowiadać różnym wymaganiom w zakresie zasięgu, łatwości serwisowania, kosztów i zasilania.

Ostateczne dania na wynos

Połączenie elektryczne jest najsilniejsze tam, gdzie kanał fizyczny jest krótki, interfejs ma odpowiedni margines integralności-sygnału, a liczy się prostota lub niski koszt początkowy. Interkonekty optyczne stają się coraz bardziej atrakcyjne, ponieważ zasięg, łączna szerokość pasma, odporność na zakłócenia elektromagnetyczne i gęstość pasma popychają kanał elektryczny w kierunku mocniejszej korekcji, retimingu lub-aktywnej mocy kabla.

Dlatego skrzyżowanie nie jest stałą liczbą metrów. Jest to punkt, w którym całe łącze elektryczne nie spełnia już wymaganej przepustowości, zasięgu, mocy, gęstości, opóźnień i koperty kosztów cyklu życia-z wygodnym marginesem.

Najpierw zdefiniuj te ograniczenia. Następnie porównaj kompletne architektury elektryczne i optyczne przy tej samej szybkości transmisji danych i zasięgu. W wielu-systemach o wysokiej wydajności najlepszy projekt nie jest izolowany optycznie ani elektrycznie; jest to celowe przejście od sygnalizacji elektrycznej w pobliżu krzemu do sygnalizacji optycznej tam, gdzie uzasadnia to odległość i gęstość pasma.