วิธีใช้การเชื่อมต่อระหว่างกันแบบออปติคอลเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพศูนย์ข้อมูล

ความต้องการการเชื่อมต่อระหว่างกันด้วยไฟเบอร์ออปติกที่มีความเร็วสูง พลังงานต่ำ และแข็งแกร่งกำลังเพิ่มขึ้นเพื่อรองรับความต้องการสำหรับการสื่อสารที่น่าเชื่อถือและเวลาแฝงต่ำในระบบคลาวด์และศูนย์ข้อมูลอื่น ๆ ซึ่งตัวรับส่งสัญญาณไฟเบอร์ออปติกสามารถปรับแต่งเพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะของศูนย์ข้อมูลสำหรับความเร็วในการรับส่งข้อมูลถึง 400 กิกะบิต/วินาที (G) โดยมาตรฐานโมดูลที่สำคัญสำหรับการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติกในศูนย์ข้อมูล ได้แก่ Small Form Factor Pluggable (SPF), SPF+ และ Quad Small Form-Factor Pluggable (QSFP) ความแตกต่างอย่างหนึ่งระหว่าง SPF, SPF+ และ QSPF คือความเร็วในการส่งข้อมูล ถึงแม้นั่นก็เป็นเพียงปัจจัยเดียวที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกตัวรับส่งสัญญาณ แต่ก็ต้องชั่งน้ำหนักการใช้พลังงานและการจัดการระบายความร้อน ระยะการส่งสัญญาณที่ต้องการ ช่วงอุณหภูมิในการทำงาน การวินิจฉัยแบบรวม และปัจจัยอื่นๆ ร่วมด้วย นอกจากนี้ วิศวกรเครือข่ายต้องการวิธีที่มีประสิทธิภาพในการทดสอบช่วงการส่งสัญญาณและความไวของตัวรับ

บทความนี้เริ่มต้นด้วยการศึกษาข้อพิจารณาที่สำคัญเมื่อเลือกตัวรับส่งสัญญาณไฟเบอร์ออปติก เปรียบเทียบตัวเลือกอินเทอร์เฟซฮาร์ดแวร์ที่มีให้โดย SPF, SPF+, QSFP และ QSFP-DD (ความหนาแน่นสองเท่า) และนำเสนอโมดูลตัวรับส่งสัญญาณจาก Intel Silicon Photonics, II-VI, และ Cisco Systems ปิดท้ายด้วยการทดสอบอุปกรณ์ไฟเบอร์ออปติก รวมถึงโมดูลย้อนกลับจาก ColorChip สำหรับอุปกรณ์ 400 G และบอร์ดประเมินผลจาก Multilane สำหรับทรานซีฟเวอร์ 800 G รุ่นต่อไป

ซิงเกิลโหมดและมัลติโหมด

เส้นใยแก้วนำแสงสำหรับการสื่อสารข้อมูลประกอบด้วยแกนแก้วที่ห่อหุ้มด้วยแก้ว โดยแต่ละเส้นจะมีดัชนีการหักเหที่แตกต่างกัน เส้นใยแบบมัลติโหมด (MM) โดยทั่วไปมีแกนขนาด 50 μm และทำงานกับความยาวคลื่น 750 nm ถึง 850 nm ในขณะที่เส้นใยแบบซิงเกิลเดียว (SM) มีแกนขนาด 9 μm และโดยทั่วไปแล้วจะทำงานกับความยาวคลื่น 1310 nm ถึง 1550 nm ในกรณีของเส้นใย MM ความยาวคลื่นของแสงจะสั้นกว่าความยาวคลื่นคัตออฟ ส่งผลให้แสงหลายโหมดกระจายไปตามเส้นใย แกนกลางที่เล็กกว่าในเส้นใย SM สามารถส่งสัญญาณที่ความยาวคลื่นที่กำหนดได้เพียงโหมดเดียว (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: แกนขนาดเล็กในเส้นใย SM จำกัดความสามารถในการส่งผ่านแสงในโหมดมากกว่าหนึ่งโหมด (แหล่งที่มารูปภาพ: Cisco)

การกระจายตัวแบบโมดอลและสัญญาณรบกวนแบบโมดอลจำกัดแบนด์วิดธ์ของเส้นใย MM เมื่อเทียบกับเส้นใย SM ที่ไม่ได้รับผลกระทบเหล่านั้น นอกจากนี้เส้นใย SM สามารถรองรับระยะการส่งข้อมูลได้ไกลกว่ามากเมื่อเทียบกับเส้นใย MM การส่งข้อมูลด้วยแสงทำได้โดยใช้ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันสำหรับการสื่อสารแต่ละทิศทาง ตัวอย่างเช่น ตัวรับส่งสัญญาณแสงชุดหนึ่งใช้ความยาวคลื่น 1330 นาโนเมตรและ 1270 นาโนเมตรผสมกัน หนึ่งในตัวรับส่งสัญญาณส่งสัญญาณ 1330 นาโนเมตรและรับสัญญาณ 1270 นาโนเมตร ในขณะที่ตัวรับส่งสัญญาณอีกตัวส่งสัญญาณ 1270 นาโนเมตรและรับสัญญาณ 1330 (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ตัวรับส่งสัญญาณแสงใช้ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันในการส่งและรับข้อมูล (แหล่งที่มารูปภาพ: Cisco)

พลังงานและความร้อน

ผู้ให้บริการศูนย์ข้อมูลกังวลต่อค่าใช้จ่ายด้านพลังงานและความร้อน แม้ว่าสายเคเบิลสื่อสารข้อมูลจะเป็นสายคู่บิดเกลียว (UTP) ที่ไม่หุ้มฉนวนจะมีราคาไม่แพง แต่ตัวรับส่งสัญญาณ UTP อาจใช้พลังงานประมาณ 5 W เมื่อเทียบกับ 1 W หรือน้อยกว่าที่ตัวรับส่งสัญญาณไฟเบอร์ต้องการ

ความร้อนเพิ่มเติมที่เกิดจากตัวรับส่งสัญญาณ UTP จะต้องถูกกำจัดออกจากศูนย์ข้อมูล ทำให้ต้นทุนพลังงานโดยรวมเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าถึงเกือบสิบเท่า ยกเว้นสำหรับการใช้งานที่สั้นมากและอัตราข้อมูลต่ำ ตัวรับส่งสัญญาณไฟเบอร์มักจะมีต้นทุนการดำเนินงานตลอดอายุการใช้งานที่ถูกกว่าเมื่อเทียบกับโซลูชัน UTP

นอกจากนี้ สาย UTP ยังมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่กว่าเมื่อเทียบกับสายไฟเบอร์ อาจมีขนาดใหญ่เกินไปที่จะใส่ในรางเคเบิลบางขนาดที่ติดตั้งใต้พื้นในศูนย์ข้อมูลที่มีความหนาแน่นสูง นอกจากนี้ สำหรับสาย Cat 6A ที่ส่งสัญญาณที่ 10 G การสื่อสารข้ามระหว่างสาย UTP อาจเป็นเรื่องยากที่จะจัดการ โดยไฟเบอร์ MM ใช้ตัวรับส่งสัญญาณที่มีต้นทุนต่ำกว่า แต่การเดินสายมีราคาแพงกว่าเมื่อใช้ออปติกแบบขนานสำหรับการส่งสัญญาณ 40 หรือ 100 G เนื่องจากอัตราข้อมูลเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ไฟเบอร์ SM อาจมีข้อดีที่ดีที่สุดที่ใช้พลังงานต่ำ ต้นทุนต่ำ และโซลูชันขนาดเล็ก

ตัวเลือกช่วงอุณหภูมิ

ศูนย์ข้อมูลพบได้ในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย ตั้งแต่สิ่งอำนวยความสะดวกเฉพาะไปจนถึงตู้ในสำนักงาน คลังสินค้า และโรงงาน ตัวรับส่งสัญญาณไฟเบอร์ออปติกมีให้เลือกสามช่วงอุณหภูมิมาตรฐานเพื่อตอบสนองความต้องการของสภาพแวดล้อมเฉพาะ:

• 0°C ถึง +70°C เรียกว่า C-temp หรือ COM ได้รับการออกแบบสำหรับสภาพแวดล้อมเชิงพาณิชย์และศูนย์ข้อมูลมาตรฐาน
• -5°C ถึง +85°C เรียกว่า E-temp หรือ EXT สำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมที่ท้าทายยิ่งขึ้น
• -40°C ถึง +85°C เรียกว่า I-temp หรือ IND สำหรับใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม

ตัวรับส่งสัญญาณออปติคัลทั่วไปมักจะทำงานอยู่ในกล่องที่ร้อนกว่าอุณหภูมิแวดล้อมประมาณ 20 องศา ในสภาพแวดล้อมที่สภาพแวดล้อมมีอุณหภูมิเกิน +50°C หรือต่ำกว่า -20°C จะใช้ตัวรับส่งสัญญาณ IDN-rated โดยการใช้งานบางอย่างต้องการตัวรับส่งสัญญาณที่สามารถ 'เริ่มต้นทำงานใหม่' ในระหว่างการเริ่มต้นทำงานใหม่ เครือข่ายสามารถเข้าถึง I²C ของตัวรับส่งสัญญาณและอินเทอร์เฟซความเร็วต่ำอื่นๆ ได้ แต่ทราฟฟิกข้อมูลจะไม่เริ่มทำงานจนกว่าอุณหภูมิเคสจะถึง -30°C เพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานของเครือข่ายเชื่อถือได้ สิ่งสำคัญคือต้องตรวจสอบอุณหภูมิการทำงานของตัวรับส่งสัญญาณไฟเบอร์ออปติก

การตรวจสอบด้วยแสงดิจิตอล

การตรวจสอบด้วยแสงแบบดิจิทัล (Digital Optical Monitoring, DOM) หรือที่เรียกว่าการตรวจสอบการวินิจฉัยแบบดิจิทัล (Digital Diagnostic Monitoring, DDM) ถูกกำหนดไว้ใน SFF-8472 ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ Multi-source Agreement (MSA) ที่มุ่งเน้นไปที่การตรวจสอบแบบดิจิตอลของตัวรับส่งสัญญาณไฟเบอร์ออปติก โดยมีความสามารถดังต่อไปนี้:

• การตรวจสอบอุณหภูมิการทำงานของโมดูล
• การตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของโมดูล
• การตรวจสอบกระแสไฟฟ้าของโมดูล
• ตรวจสอบการส่งและรับพลังงานแสง
• ส่งสัญญาณเตือนหากพารามิเตอร์เกินระดับที่ปลอดภัย
• ให้ข้อมูลโรงงานของโมดูลตามคำขอ

DOM ตามที่ระบุโดย SFF-8472 กำหนดให้มีการเตือนหรือเงื่อนไขการเตือนที่เฉพาะเจาะจง DOM ช่วยให้ผู้ดูแลระบบเครือข่ายตรวจสอบประสิทธิภาพของโมดูลและระบุโมดูลที่อาจจำเป็นต้องเปลี่ยนก่อนที่จะไม่สามารถใช้งานได้

โมดูลตัวรับส่งสัญญาณออปติคัลที่มีความเร็วสูงถึง 100 G ได้รับการจัดการผ่านอินเทอร์เฟซการควบคุม I²C โดยใช้ระบบคำสั่งแมปหน่วยความจำพื้นฐานที่กำหนดโดย SFF 8636 โมดูลความเร็วสูงมีความซับซ้อนมากขึ้นในการจัดการเนื่องจากการรวมอินเทอร์เฟซ PAM-4 ที่ต้องการการทำให้เท่าเทียมกันที่ซับซ้อน โดยมีการพัฒนา Common Management Interface Specification (CMIS) เพื่อแทนที่หรือเสริม SFF-8472/8636 ในโมดูลความเร็วสูง

ฟอร์มแฟกเตอร์และรูปแบบการมอดูเลต

มีตัวรับส่งสัญญาณ SFP สำหรับเครือข่ายทองแดงและไฟเบอร์ การใช้โมดูล SFP ทำให้พอร์ตการสื่อสารแต่ละพอร์ตสามารถมีตัวรับส่งสัญญาณประเภทต่างๆ ฟอร์มแฟคเตอร์ SFP และอินเทอร์เฟซทางไฟฟ้าระบุไว้ใน MSA ตัวรับส่งสัญญาณ SFP พื้นฐานสามารถรองรับอัตราข้อมูลสูงสุด 4 G สำหรับ Fibre Channel ข้อมูลจำเพาะ SFP+ ที่ใหม่กว่ารองรับสูงสุด 10 G และข้อกำหนด SFP28 ล่าสุดรองรับสูงสุด 25 G

มาตรฐานตัวรับส่งสัญญาณ QSFP ที่ใหญ่ขึ้นรองรับความเร็วในการส่งข้อมูลที่เร็วกว่าหน่วย SFP ที่เกี่ยวข้องถึงสี่เท่า QSFP28 ให้มากถึง 100 G ในขณะที่ QSFP56 เพิ่มสองเท่าเป็น 200 G ตัวรับส่งสัญญาณ QSFP รวมช่องส่งสัญญาณสี่ช่องและช่องรับสี่ช่อง '28' หมายความว่าแต่ละช่อง (หรือเลน) สามารถรองรับอัตราข้อมูลได้สูงสุด 28 G เป็นผลให้ QSFP28 สามารถรองรับรูปแบบ 4 x 25 G (เบรกเอาท์), การเบรกเอาท์ 2 x 50 G หรือ 1 x 100 G ขึ้นอยู่กับตัวรับส่งสัญญาณ เนื่องจากพอร์ต QSFP มีขนาดใหญ่กว่า SFP จึงมีอแดปเตอร์ให้ใช้งาน ทำให้วางตัวรับส่งสัญญาณ SFP ไว้ในพอร์ต QSFP ได้

รูปแบบล่าสุดคือ QSFP-DD ซึ่งเพิ่มจำนวนอินเทอร์เฟซเป็นสองเท่าเมื่อเทียบกับโมดูล QSFP28 ปกติ นอกจากนี้ สเปคใหม่ยังรองรับการมอดูเลตแอมพลิจูดพัลส์ 4 (PAM4) ที่สามารถส่ง 50 G ให้ความเร็วในการรับส่งข้อมูลเพิ่มขึ้นสองเท่า และทำให้ความเร็วพอร์ตโดยรวมเพิ่มขึ้น 4 เท่าเมื่อเทียบกับโมดูล QSFP28

การมอดูเลตแบบ Non-return to Zero (NRZ) แบบดั้งเดิมที่ใช้ในเครื่องรับส่งสัญญาณไฟเบอร์จะปรับความเข้มของแสงในสองระดับ PAM ใช้ระดับความเข้มของแสงสี่ระดับเพื่อเข้ารหัสสองบิตในแต่ละช่วงเวลาพัลส์ออปติคอลแทนที่จะเป็นหนึ่งบิต ทำให้ข้อมูลเพิ่มขึ้นเกือบสองเท่าในแบนด์วิธเดียวกัน (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: การส่งสัญญาณ PAM4 ที่ซับซ้อนมากขึ้นมีข้อมูลมากกว่า NRZ (แหล่งที่มารูปภาพ: Cisco)

QSFP-DD สำหรับศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่

นักออกแบบของคลาวด์ขนาดใหญ่และศูนย์ข้อมูลขององค์กรสามารถหันไปใช้ SPTSHP3PMCDF ตัวรับส่งสัญญาณออปติคัล QSFP-DD จาก Intel Silicon Photonics โมดูลนี้มีความสามารถในการส่งข้อมูล 2 กม. สำหรับการทำงานตั้งแต่ 0°C ถึง +70°C และรองรับการเชื่อมต่อแบบออปติคัล 400 G บนไฟเบอร์ SM หรือลิงก์แบบออปติคัล 100 G สี่รายการสำหรับการใช้งานเบรกเอาท์ (รูปที่ 4) คุณสมบัติของตัวรับส่งสัญญาณ QSFP-DD ประกอบไปด้วย:

• เป็นไปตามข้อกำหนดอินเทอร์เฟซแบบออปติคัล 4 x 100 G Lambda MSA และมาตรฐานอินเทอร์เฟซแบบออปติคัล IEEE 400GBASE-DR4
• เป็นไปตามมาตรฐานอินเทอร์เฟซทางไฟฟ้า IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8)
• เป็นไปตามมาตรฐานอินเทอร์เฟซการจัดการ CMIS พร้อมการวินิจฉัยและควบคุมโมดูลเต็มรูปแบบผ่าน I²C

รูปที่ 4: ตัวรับส่งสัญญาณ QSFP-DD นี้มีระยะ 2 กม. (แหล่งที่มาภาพ: Intel)

SFP+ แบบมัลติโหมด

FTLF8538P5BCz ตัวรับส่งสัญญาณออปติคัล SFP+ จาก II-VI ได้รวมฟังก์ชัน DDM และออกแบบมาเพื่อใช้ในอัตราข้อมูล 25 G บนไฟเบอร์ MM (รูปที่ 5) ซึ่งได้รับการออกแบบให้ทำงานตั้งแต่ 0°C ถึง +70°C คุณสมบัติอื่น ๆ ได้แก่ :

• ตัวส่งสัญญาณเลเซอร์ (VCSEL) ด้านข้างมีโพรงแนวตั้ง 850 นาโนเมตร
• การส่งผ่าน 100 ม. ผ่านสายเคเบิล 50/125 μm OM4, M5F MMF
• การส่งสัญญาณ 70 ม. ผ่านสายเคเบิล 50/125 μm OM3, M5E MMF
• อัตราข้อผิดพลาด 1E-12 บิต (BER) มากกว่า 30 ม. ด้วยสายเคเบิล OM3 และ 40 ม. ด้วยสายเคเบิล OM4
• การใช้พลังงานสูงสุด 1 วัตต์

รูปที่ 5: ตัวรับส่งสัญญาณ SFP+ สำหรับ 25 G และใช้ไฟเบอร์ MM (แหล่งที่มาภาพ: II-VI)

SPF แบบซิงเกิลโหมด

SFP-10G-BXD-I และ SFP-10G-BXU-I จาก Cisco ทำงานด้วยไฟเบอร์ SM ที่รองรับระยะการส่งข้อมูลสูงสุด 10 กม. SFP-10G-BXD-I เชื่อมต่อกับ SFP-10G-BXU-I เสมอ SFP-10G-BXD-I ส่งช่องสัญญาณ 1330-nm และรับสัญญาณ 1270-nm และ SFP-10G-BXU-I ส่งที่ความยาวคลื่น 1270-nm และรับสัญญาณ 1330-nm ตัวรับส่งสัญญาณเหล่านี้ยังรวมถึงฟังก์ชัน DOM ที่ตรวจสอบประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์

ลูปแบ็คสำหรับการทดสอบ

วิศวกรและช่างเทคนิคเครือข่ายและการทดสอบสามารถใช้ไฟเบอร์ออปติกลูปแบ็คและโมดูลลูปแบ็คเพื่อทดสอบความสามารถในการส่งและความไวของตัวรับสัญญาณของอุปกรณ์เครือข่ายออปติก โดย ColorChip มีโมดูลลูปแบ็คที่รองรับสถานการณ์การใช้งานสูงด้วย 2,000 รอบที่อุณหภูมิ -40°C ถึง +85°C (รูปที่ 6) โมดูลลูปแบ็คนี้ประกอบด้วยการใช้พลังงานหลายรายการที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์เพื่อจำลองพลังงานของโมดูลออปติคัลและลักษณะการสูญเสียการแทรกในตัวที่จำลองการเดินสายจริงสำหรับอีเทอร์เน็ต 200/400 G, Infiniband และ Fibre Channel การป้องกันกระแสไฟกระชากในตัวช่วยลดความเสี่ยงที่จะทำให้อุปกรณ์ทดสอบเสียหาย การใช้โมดูลลูปแบ็คนี้รวมถึงการทดสอบพอร์ต การทดสอบการใช้งานภาคสนาม และการแก้ไขปัญหาอุปกรณ์

รูปที่ 6: โมดูลลูปแบ็คนี้ออกแบบมาเพื่อทดสอบประสิทธิภาพของตัวรับส่งสัญญาณแสง (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

ชุดพัฒนา 800 G QSFP

สำหรับวิศวกรเครือข่ายที่เตรียมรับทรานซีฟเวอร์ 800 G รุ่นต่อไป Multilane ขอเสนอ ML4062-MCB ซึ่งให้แพลตฟอร์มที่มีประสิทธิภาพและใช้งานง่ายสำหรับการตั้งโปรแกรมและทดสอบตัวรับส่งสัญญาณ QSFP-DD800 และสายเคเบิลออปติคอลที่ใช้งานอยู่ (รูปที่ 7) โดย GUI รองรับคุณสมบัติทั้งหมดที่กำหนดโดย QSFP-DD MSA และทำให้กระบวนการกำหนดค่าง่ายขึ้น ซึ่งสามารถใช้จำลองสภาพแวดล้อมจริงสำหรับการทดสอบโมดูลตัวรับส่งสัญญาณ QSFP-DD ลักษณะเฉพาะ และการผลิต และเป็นไปตามข้อกำหนด OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 และ OIF-CEI-56G-VSR-NRZ

รูปที่ 7: แพลตฟอร์ม dev นี้ออกแบบมาเพื่อใช้กับตัวรับส่งสัญญาณ 800 G รุ่นต่อไป (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

สรุป

ตัวรับส่งสัญญาณไฟเบอร์ออปติกรองรับความต้องการของวิศวกรเครือข่ายศูนย์ข้อมูลสำหรับโซลูชันความเร็วสูง กะทัดรัด และใช้พลังงานต่ำ ตัวรับส่งสัญญาณเหล่านี้มีอยู่ในรูปแบบต่าง ๆ และมีช่วงอุณหภูมิการทำงานมาตรฐานสามช่วง โดยมีไฟเบอร์แบบ SM หรือ MM สามารถใช้โมดูลลูปแบ็คเพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพขององค์ประกอบเครือข่ายใยแก้วนำแสง สามารถใช้แพลตฟอร์มการพัฒนาเพื่อสำรวจความสามารถของตัวรับส่งสัญญาณ 800 G และเตรียมแนวทางสำหรับเครือข่ายไฟเบอร์รุ่นต่อไป