כיצד להשתמש בחברורים אופטיים כדי למטב ביצועי מרכז-נתונים

הצורך בחברורי סיב אופטי חסונים, הספק-נמוך ומהירות-גבוהה גדל כדי לתמוך בדרישות תקשורת אמינה, בעלת שיהוי נמוך, בענן ובמרכזי נתונים אחרים. מקמ"שי סיב אופטי ניתנים למיטוב כדי לעמוד בצרכים ספציפיים של מרכזי-נתונים למהירויות שידור של עד 400 גיגה-ביט\שנייה (G). תקני מודול חשובים עבור תקשורת סיב אופטי של מרכזי-נתונים כוללים גורם צורה קטן נתקע (SPF),‏ +SPF, ומרובע (Quad‏) גורם צורה קטן נתקע (QSFP‏). אחד ההבדלים בין SPF, ‏+SPF ו-QSPF הוא מהירות שידור נקובה. עדיין, זה רק גורם אחד שיש לשקול כשבוחרים מקמ"ש; גורמים אחרים שחייבים לשקול הם צריכת הספק וניהול תרמי, מרחק שידור דרוש, תחום טמפרטורות עבודה, דיאגנוסטיקה משולבת וגורמים אחרים. נוסף לכך, מהנדסי רשת צריכים דרך‏ אפקטיבית לבדוק טווח שידור של מקמ"ש אופטי ורגישות מקלט.

מאמר זה מתחיל בסקירת שיקולים חשובים כשבוחרים מקמ"שי סיב אופטי, משווה אופציות של ממשק חומרה המסופקות על ידי SPF,‏ +SPF,‏ QSFP, ו-QSFP-DD (צפיפות כפולה), ומציג מודולי מקמ"ש מבית Intel Silicon Photonics,‏ II-VI‏ ו-Cisco Systems‏. המאמר מסיים במבט על בדיקת התקן סיב אופטי, כולל מודול‏ Loopback של התקני 400‎ G מבית ColorChip ולוח הערכה מבית Multilane עבור מקמ"שי ‎800 G של הדור-הבא.

חד-אופן (Single-mode) לעומת רב-אופן (Multi-mode)

סיבים אופטיים עבור תקשורת נתונים מורכבים מליבת זכוכית עטופה בציפוי מגן מזכוכית, כל אחד עם אינדקסים של שבירה שונים. סיבים רבי-אופן (MM) אופייניים הם בעלי ליבה של ‎50 μm‏ ועובדים עם אורכי גל של 750‎ nm עד ‎850 nm, בעוד סיב חד-אופן ‏(SM‏) הוא בעל ליבה של‏ ‎9 μm‏ ועובד בדרך כלל עם אורכי גל של ‎1310 nm עד 1550‎ nm. במקרה של סיבי MM, אורך הגל של האור הוא קצר יותר מאורך גל הקיטעון, והתוצאה היא שאור רב-אופן (multiple mode) עובר לאורך הסיב. הליבה הקטנה יותר בסיב SM‏ יכולה להעביר אור חד-אופן (single mode) בלבד עבור אורך גל מוגדר (איור 1).

איור 1‏: הליבה הקטנה בסיבי SM מגבילה את יכולתם לשדר אור ביותר מאופן אחד. (מקור תמונה: Cisco‏)

פיזור מודאלי (Modal dispersion) ורעש מודאלי (Modal noise) מגבילים את רוחב-הפס של סיבי MM בהשוואה לסיבי SM‏ שאינם נתונים להשפעות אלו. נוסף לכך, סיבי SM‏ יכולים לתמוך במרחקי שידור ארוכים בהרבה בהשוואה לסיבי MM. שידור אופטי של נתונים מושג על ידי שימוש באורך-גל שונה עבור כל כיוון של התקשורת. לדוגמה, סט אחד של מקמ"שים אופטיים משתמש בצירוף של אורכי-גל של ‎1330 nm ו-1270‎ nm. אחד מהקמ"שים משדר אות של‏ ‎1330 nm וקולט אות של ‎1270 nm, בעוד המקמ"ש השני משדר אות של‏ 1270‎ nm וקולט אות של ‎1330 nm (איור 2‏).

איור 2: מקמ"שים אופטיים משתמשים באורכי-גל שונים עבור שידור וקליטת נתונים. (מקור תמונה: Cisco‏)

הספק ועניינים תרמיים

מפעילי מרכז-נתונים רגישים לעלויות תרמיות והספק. בעוד זוג שזור לא מסוכך (UTP) עבור תקשורת נתונים אינו יקר, מקמ"ש UTP יכול לצרוך בערך 5‎ W הספק בהשוואה ל-‎1 W או פחות הנצרך על ידי מקמ"ש סיב אופטי.

החום הנוסף המיוצר על ידי מקמ"שי UTP חייב להיות מורחק ממרכז-הנתונים, דבר המכפיל את העלות הכוללת של אנרגיה לכמעט פי עשר. מלבד עבור ריצות קצרות מאוד וקצבי נתונים נמוכים, מקמ"שי סיב אופטי הם כמעט תמיד פחות יקרים בסך עלויות התפעול לאורך חיי העבודה שלהם בהשוואה לפתרונות UTP.

כבלי UTP הם גם בעלי קוטר גדול יותר בהשוואה לכבלי סיב אופטי. הם יכולים להיות עבים מדי מלהתאים במגשי כבלים מסוימים המותקנים מתחת לרצפה במרכזי-נתונים צפיפות-גבוהה. נוסף לכך, עבור כבלי Cat 6A‏ המשדרים ב-G‏ 10, ערב-דיבור (crosstalk‏) בין כבלי UTP יכול להיות קשה לניהול. סיב MM משתמש במקמ"שים זולים יותר, אך החיווט יקר יותר כשמשתמשים באופטיקה מקבילית עבור שידורים של 40 או ‎100 G. עם הגידול המתמשך בקצבי נתונים, סיב אופטי SM‏ עשוי להציע את השילוב הטוב ביותר של הספק נמוך, עלות נמוכה וגודל פתרון קטן.

מבחר תחומי טמפרטורה

מרכזי-נתונים נמצאים בסביבות שונות, ממתקנים יעודיים עד ארונות במשרדים, מחסנים ומפעלים. מקמ"שי סיב אופטי זמינים בשלושה תחומי טמפרטורה סטנדרטיים כדי לעמוד בצרכים של סביבות ספציפיות:

• 0‎°C עד 70°C‏, נקרא C-temp או COM‏, מתוכננים עבור סביבות מרכז-נתונים מסחרי וסטנדרטי.
• 5‎°C- עד ‎85°C+, נקרא E-temp או EXT, לשימוש בסביבות יותר מאתגרות.
• 40‎°C- עד ‎85°C+, נקרא I-Temp או IND, לשימוש בהתקנות תעשייתיות.

מקמ"ש ‏אופטי אופייני צפוי לעבוד עם מארז חם יותר בערך ב-20 מעלות‏ מטמפרטורת הסביבה. בסביבות בהן טמפרטורת הסביבה עולה על ‎50°C+ או נופלת אל מתחת ל-‎20°C-, משתמשים במקמ"שים מדורגים IND. יישומים מסוימים דורשים מקמ"שים בעלי יכולת ‘התחלה קרה’. במהלך התחלה קרה, הרשת יכולה לגשת אל ה-I²C של המקמ"שים‏ ואל ממשקי מהירות-נמוכה אחרים, אך תעבורת נתונים לא מתחילה עד שטמפרטורת המארז מגיעה ל-‎30°C-. כדי להבטיח עבודה אמינה של הרשת, חשוב לנטר את טמפרטורת העבודה של מקמ"שי סיב אופטי.

ניטור אופטי דיגיטלי

ניטור אופטי דיגיטלי (DOM), שגם נקרא ניטור דיאגנוסטיקה דיגיטלי (DDM), מוגדר ב-SFF-8472, חלק מהסכם הרב-מקור (MSA) המתמקד בניטור הדיגיטלי של מקמ"שי סיב אופטי. הוא כולל את היכולות הבאות:

• ניטור טמפרטורת עבודה של מודול
• ניטור מתח עבודה של מודול
• ניטור זרם עבודה של מודול
• ניטור הספק אופטי שידור וקליטה
• להפעיל אות אזעקה אם פרמטרים עולים על רמות בטוחות
• לספק מידע של המפעל על מודול לפי דרישה

DOM, כמצוין ב-SFF-8472, מגדיר דגלוני אזעקה ספציפיים או תנאי אזעקה. DOM מסייע למנהלי רשת לנטר ביצועי מודול ולזהות מודולים שיתכן שיש להחליפם לפני שהם יוצאים מכלל שימוש.

עד 100‎ G, מודולי מקמ"ש אופטי נוהלו דרך ממשק בקרה‏ I²C‏ תוך שימוש במערכת ‏פיקוד ממופה-זיכרון בסיסי, מוגדר על ידי SFF 8636. מודולים בעלי מהירות גבוהה יותר הם מורכבים יותר לניהול בשל הכללת ממשקי PAM-4 הדורשים השוואה (equalization) מורכבת. ה-Common Management Interface Specification‏ (CMIS) פותח כדי להחליף או להשלים SFF-8472/8636 במודולים מהירות-גבוהה .

גורמי צורה ושיטות אפנון

מקמ"שי SFP קיימים עבור רשתות נחושת וסיב אופטי. שימוש במודולי SFP‏ מאפשר לאכלס נקודות-חיבור (ports) תקשורת פרטניות עם סוגים שונים של מקמ"שים. גורם הצורה SFP וממשק חשמלי מוגדרים ב-MSA.‏ מקמ"ש ‏SFP‏ בסיסי יכול לתמוך בקצבי נתונים של עד ‎4 G עבור Fibre Channel. מפרט ה-+SFP החדש יותר תומך עד G‏ 10, ומפרט ה-SFP28 האחרון תומך עד 25‎ G.

תקן מקמ"ש QSFP הגדול יותר תומך במהירויות שידור מהירות פי ארבע מיחידות ה-SFP המתאימות. גרסת ה-QSFP28 מספקת עד ‎100 G בעוד ה-QSFP56 מכפילה את זה ל-200‎ G. מקמ"ש QSFP‏ משלב ארבעה ערוצי שידור וארבעה ערוצי קליטה, ‘28’ מציין שכל ערוץ (או נתיב) יכול לתמוך בקצבי נתונים עד ‎28 G.; כתוצאה מכך, QSFP28 יכול לתמוך בתצורה של‏ 4 X‏ ‎25 G ‏(breakout),‏ ‎2 x 50 G breakout או 1‎ x 100 G תלוי במקמ"ש. מאחר ונקודות-חיבור QSFP הן גדולות יותר מנקודות-חיבור SFP‏, קיימים מתאמים המאפשרים לחבר מקמ"ש‏ SFP‏ בנקודת-חיבור QSFP.

הגרסה האחרונה היא ה-QSFP-DD המכפילה את מספר הממשקים בהשוואה למודול QSFP28 רגיל. נוסף לכך, המפרט החדש כולל תמיכה באפנון אמפליטודת פולס 4 (PAM4) היכול לספק ‎50 G, דבר המעניק הכפלה נוספת של מהירות שידור והתוצאה היא ‏הגדלה כוללת של פי 4 במהירות נקודת-חיבור בהשוואה למודול QSFP28.

אפנון לא-חוזר לאפס (NRZ) מסורתי המשמש במקמ"שי סיב אופטי מאפנן את עוצמת האור בשתי רמות. PAM משתמש בארבע רמות עוצמת אור לקידוד שני ביטים (Bits) בכל זמן מחזור פולס אופטי במקום אחת, בכך מאפשר כמעט כפול נתונים באותו רוחב-פס (איור 3‏).

איור 3‏: שידורי PAM4 מורכבים יותר נושאים הרבה יותר נתונים מ-NRZ. (מקור תמונה: Cisco‏)

QSFP-DD עבורך מרכזי-נתונים גדולים

מתכננים של מרכזי-נתונים בקנה-מידה גדול של ענן וארגון יכולים לפנות אל המקמ"ש האופטי SPTSHP3PMCDF QSFP-DD מבית Intel Silicon Photonics. למודול זה יש יכולת שידור של‏ 2 ק"מ, מוגדר לעבוד מ-0‎°C עד ‎70°C+‏, ותומך בקישורים אופטיים של 400‎ G דרך סיב SM‏ או ארבעה קישורים אופטיים של ‎100 G עבור יישומי Breakout (איור 4‏). המאפיינים של מקמ"ש QSFP-DD זה כוללים:

• התאמה עם מפרט ממשק אופטי 4‎ x 100 G Lambda MSA ותקן הממשק האופטי ‏IEEE 400GBASE-DR4
• התאמה לתקן ממשק חשמלי IEEE 802.3bs 400GAUI-8‏ (CDAUI-8)
• התאמה לתקן ממשק ניהול CMIS עם דיאגנוסטיקת מודול מלאה ובקרה דרך I²C‏

איור 4‏: מקמ"ש QSFP-DD זה הוא בעל טווח של 2 ק"מ. (מקור תמונה: Intel)

רב-אופן +SFP ‏

למקמ"ש האופטי +FTLF8538P5BCz SFP‏ מבית II-VI‏ יש פונקציות DDM משולבות והוא מתוכנן לשימוש בקצב נתונים של ‎25 G דרך סיב MM (איור 5‏). הוא מתוכנן לעבוד מ-‎0°C עד 70‎°C+. מאפיינים אחרים כוללים:

• משדר vertical cavity side emitting laser‏ (VCSEL)‏ 850‎ nm
• שידור 100 מטר דרך כבל ‎50/125 μm OM4,‏ M5F MMF
• שידור 70 מטר דרך כבל ‎50/125 μm OM3,‏ M5E MMF
• קצב שגיאות ביט (BER‏) ‏1E-12 דרך 30 מ' עם כבל OM3 ו-40 מ' עם כבל OM4
• צריכת הספק מקסימלית 1‎ W

איור 5: מקמ"ש +SFP זה מדורג עבור ‎25 G ומשתמש בסיב MM. (מקור תמונה: II-VI‏)

חד-אופן SPF‏

ה-SFP-10G-BXD-I וה-SFP-10G-BXU-I מבית Cisco עובדים עם סיב SM התומך במרחקי שידור עד 10‎ km. מקמש‏ SFP-10G-BXD-I‏ תמיד מחובר למקמ"ש‏ SFP-10G-BXU-I. ה-SFP-10G-BXD-I משדר ערוץ של‏ ‎1330-nm וקולט אות של‏ ‎,1270-nm ו-SFP-10G-BXU-I‏ משדר באורך גל של ‎1270-nm וקולט אות של ‏1330‎-nm. מקמ"שים אלה גם כוללים פונקציות DOM המנטרות ביצועים בזמן-אמת.

החזרי loopback עבור בדיקות

מהנדסי וטכנאי רשת ובדיקה יכולים להשתמש בהחזרי loopback סיב אופטי ובמודולי loopback כדי לבדוק יכולת שידור ורגישות מקלט של ציוד רשת אופטית. ColorChip מספק‏ת מודול Loopback התומך בתרחישי שימוש גבוה עם 2000 מחזורים ב-40‎°C- עד 85°C+ (איור 6‏). מודול Loopback זה כולל צריכת הספק משתנה מוגדרת-תוכנה כדי לחקות את הספק המודול האופטי ואת מאפייני ניחות המעבר (insertion loss) המשובצים ובכך לחקות חיווט של העולם-האמיתי עבור ‎200/400 G Ethernet,‏ Infiniband ו-Fibre Channel. הגנת זרם הנחשול המובנית מפחיתה את הסיכונים של גרימת נזק להתקן הנבדק. שימושי מודול Loopback זה כוללים בדיקת נקודות-חיבור, בדיקת פריסת שדה ואיתור וטיפול בתקלות ציוד.

איור 6: מודול Loopback זה מתוכנן לבדוק ביצועי מקמ"ש אופטי. (מקור תמונה: DigiKey)

ערכת פיתוח ‎800 G QSFP

עבור מהנדסי רשת המתכוננים לדור הבא של מקמ"שי ‎800 G, חברת Multilane מציעה את ה-ML4062-MCB המספקת פלטפורמה‏ יעילה וקלה-לשימוש עבור תכנות ובדיקת מקמ"שי QSFP-DD800 וכבלים אופטיים אקטיביים (איור 7‏). ממשק המשתמש הגרפי (GUI) תומך בכל המאפיינים המוגדרים על ידי QSFP-DD MSA ומפשט את תהליך הגדרת התצורה. ניתן להשתמש בו לביצוע סימולציה של‏ סביבה אקטואלית עבור בדיקת מודולים של מקמ"שי QSFP-DD, אפיון וייצור, ותואם עם מפרטי ה-OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 וה-OIF-CEI-56G-VSR-NRZ.

איור 7: פלטפורמת פיתוח זו מתוכננת לשימוש עם מקמ"שי 800‎ G של הדור-הבא. (מקור תמונה: DigiKey)

סיכום

מקמ"שי סיב אופטי תומכים בצרכי מהנדסי רשת מרכז-נתונים לפתרונות קומפקטיים, מהירות-גבוהה והספק נמוך. מקמ"שים אלה זמינים בפורמטים שונים ושלושה תחומי טמפרטורות עבודה סטנדרטיים, עם סיבי SM‏ או MM. מודולי Loopback ניתנים לשימוש לתיקוף הביצועים של אלמנטים של רשת סיב אופטי. פלטפורמות פיתוח ניתנות לשימוש כדי לחקור את היכולות של מקמ"שי 800‎ G ולהכין את הדרך עבור הדור הבא של רשתות מבוססות סיב אופטי.