800G光模塊為何是AI浪潮的一大節(jié)點(diǎn)

在當(dāng)今快節(jié)奏的世界中，對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠堰_(dá)到前所未有的水平。AI應(yīng)用和大模型的出現(xiàn)，使得算力成為AI行業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。隨著對(duì)更快通信的需求不斷增加，高速光模塊已成為人工智能服務(wù)器的重要組件。本文深入探討了800G光模塊的演進(jìn)及其在人工智能時(shí)代的巨大潛力。01800G光模塊的演進(jìn)光模塊承擔(dān)著網(wǎng)絡(luò)連接中光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的任務(wù)，負(fù)責(zé)在發(fā)送端將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，再通過(guò)光纖傳輸后在接收端將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。隨著光電器件的發(fā)展和集成化，其性能和傳輸帶寬不斷提高，光模塊需要更高的傳輸速率和更小的尺寸以適應(yīng)不同的使用場(chǎng)景。封裝方式也不斷發(fā)展，更小的封裝和功耗意味著光模塊在交換機(jī)上具有更高的端口密度，同樣的功率可以驅(qū)動(dòng)更多的光模塊。不斷增加的帶寬需求帶寬需求的增長(zhǎng)對(duì)高速光模塊產(chǎn)生了重大影響。隨著新興技術(shù)的不斷涌現(xiàn)以及大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，傳統(tǒng)的100G、200G、400G光模塊已經(jīng)不能完全滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。為了滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的帶寬需求，800G光模塊正在成為趨勢(shì)。LPO技術(shù)的成長(zhǎng)在800G光模塊時(shí)代，線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)可插拔光學(xué)器件（Linear-drivePluggableOptics，LPO）技術(shù)脫穎而出。LPO在數(shù)據(jù)鏈路中利用線(xiàn)性模擬組件，無(wú)需復(fù)雜的CDR或DSP設(shè)計(jì)。與DSP解決方案相比，LPO大幅降低了功耗和延遲，非常適合AI計(jì)算中心的短距離、高帶寬、低功耗和低延遲數(shù)據(jù)連接要求。隨著云服務(wù)提供商擴(kuò)展其計(jì)算資源，包括800GLPO在內(nèi)的LPO解決方案有望占據(jù)重要的市場(chǎng)份額。02800G光模塊封裝隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，光模塊的封裝形式經(jīng)歷了顯著的演變。從早期的GBIC封裝，到更小的SFP封裝，再到現(xiàn)今的800GQSFP-DD和OSFP封裝。這一發(fā)展趨勢(shì)不僅體現(xiàn)了光模塊在速率上的持續(xù)提升，更展現(xiàn)了其向小型化、熱插拔方向的邁進(jìn)。800G光模塊的應(yīng)用場(chǎng)景日益廣泛，涵蓋了以太網(wǎng)、CWDM/DWDM、連接器、光纖通道以及有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)接入等多個(gè)領(lǐng)域。QSFP-DD與OSFP尺寸對(duì)比800GQSFP-DD外形規(guī)格：雙密度四通道小型可插拔高速模塊。QSFP-DD是目前800G光模塊的首選封裝，使數(shù)據(jù)中心能夠根據(jù)需要高效增長(zhǎng)并擴(kuò)展云容量。QSFP-DD模塊采用8通道電接口，每通道速率高達(dá)25Gb/s（NRZ調(diào)制）或50Gb/s（PAM4調(diào)制），提供高達(dá)200Gb/s或400Gb/s的聚合解決方案。800GQSFP-DD的優(yōu)勢(shì)：1.具有向下兼容性，兼容QSFP+/QSFP28/QSFP56QSFP封裝。2.采用2×1堆疊式一體式cage連接器，可支持單高和雙高cage連接器系統(tǒng)。3.通過(guò)SMT連接器和1xNcage可實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊至少12瓦的熱容量。較高的熱容量可以降低光模塊的散熱功能要求，從而減少一些不必要的成本。4、在QSFP-DD的設(shè)計(jì)中，MSA工作組充分考慮了用戶(hù)使用的靈活性，采用了ASIC設(shè)計(jì)，支持多種接口速率，并且可以向下兼容（兼容QSFP+/QSFP28），從而減少端口成本和設(shè)備部署成本。800GOSFP外形規(guī)格：OSFP是一種新型光模塊，比CFP8小得多，但比QSFP-DD略大，具有8個(gè)高速電通道，每個(gè)1U前面板上仍支持32個(gè)OSFP端口，配合集成散熱片可以大大提高散熱性能。800GOSFP的優(yōu)勢(shì)：1.OSFP模塊設(shè)計(jì)為8通道，直接支持高達(dá)800G的總吞吐量，從而實(shí)現(xiàn)更高的帶寬密度。2、由于OSFP封裝支持更多的通道和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此可以提供更高的性能和更遠(yuǎn)的傳輸距離。3.OSFP模塊具有出色的散熱設(shè)計(jì)，可以處理更高的功耗。4.OSFP旨在支持未來(lái)更高的速率。由于OSFP模塊尺寸較大，因此有可能支持更高的功耗，從而支持更高的速率，例如1.6T或更高。800G光模塊外形參數(shù)對(duì)比：QSFP-DD在電信應(yīng)用中通常是首選，OSFP更適合數(shù)據(jù)中心環(huán)境。兩者之間的主要區(qū)別是：1）尺寸：OSFP尺寸稍大2）功耗：OSFP的功耗略高于QSFP-DD。3）兼容性：QSFP-DD與QSFP28和QSFP+完美兼容，而OSFP則不兼容。03800G光模塊的類(lèi)型800G=8*100G=4*200G，因此根據(jù)單通道速率可以分為兩類(lèi)，即單通道100G和200G。對(duì)應(yīng)的架構(gòu)如下圖所示。單通道100G光模塊可以快速實(shí)現(xiàn)，而200G對(duì)光器件的要求更高。由于目前電接口支持的最大速率為112GbpsPAM4，對(duì)于單通道200G的情況，需要變速箱進(jìn)行轉(zhuǎn)換。8個(gè)100GbE、2個(gè)200GbE對(duì)于多模的情況，800G光模塊主要有兩種標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)傳輸距離小于100m的情況。1）800GSR8它采用VCSEL方案，波長(zhǎng)為850nm，單通道速率為100GbpsPAM4，需要16根光纖。這可以看作是400GSR4的升級(jí)版本，通道數(shù)量增加了一倍。其光接口為MPO-16或2排MPO-12，如下圖所示。800GSR8光模塊一般用于800G以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心鏈路或800G-800G互連。MPO-16或MPO-12兩排2)800GSR4該方案采用850nm/910nm波長(zhǎng)，雙向傳輸，利用模塊中的DeMux將兩個(gè)波長(zhǎng)分開(kāi)。單通道速率為100GbpsPAM4，需要8根光纖。與SR8相比，該方案的光纖數(shù)量減少了一半。其框圖如下圖所示：800GPAM4CDR其光纖接口如下圖所示，采用MPO-12接口。MPO-12雙向?qū)τ趩文５那闆r，800G光模塊有多種標(biāo)準(zhǔn)：1)800GDR8、800G2xDR4和800GPSM8這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部架構(gòu)相似，都是8發(fā)8收，單通道速率100Gbps，需要16根光纖。800GDR8光模塊采用100GPAM4和8通道單模并行技術(shù)，通過(guò)單模光纖的傳輸距離可達(dá)500m，通常應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、800G-800G、800G-400G、800G-100G互連。800GPSM8采用CWDM技術(shù)，擁有8個(gè)光通道，每個(gè)光通道傳輸速率為100Gbps，支持100m的傳輸距離，非常適合長(zhǎng)距離傳輸和光纖資源共享。800G2DR4是指2個(gè)“400G-DR4”接口，2DR4的光接口為2個(gè)MPO-12，如下圖所示，可與400GDR4光模塊互連，無(wú)需光纖分支電纜，支持500m傳輸距離，方便數(shù)據(jù)中心升級(jí)。PSM8和DR8的光接口是MPO-16。雙MPO-122)800G2xFR4和2xLR4這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似，均包含4個(gè)波長(zhǎng)，單通道速率為100Gbps。通過(guò)Mux減少光纖數(shù)量，需要4根光纖，如下圖所示。雙400GPAMCDR這兩種解決方案是400GFR4和LR4光模塊的升級(jí)，使用1271/1291/1311/1331nm的CWDM4波長(zhǎng)。2xFR4支持傳輸距離2km，2xLR4支持傳輸距離10km。其光接口采用雙CS或雙雙工LC接口。3）800GFR4該方案采用四個(gè)波長(zhǎng)，單通道速率為200Gbps，需要兩根光纖支持2km的傳輸距離，如下圖所示。它采用雙工LC光接口，如下圖所示。雙工LC光接口4）800GFR8該方案采用8個(gè)波長(zhǎng)，每個(gè)波長(zhǎng)的速率為100Gbps，需要兩根光纖支持2km的傳輸距離，如下圖所示。八個(gè)波長(zhǎng)通道分別為1271/1291/1311/1331/1351/1371/1391/1411nm。04Al對(duì)800G光模塊部署的影響為什么對(duì)于A(yíng)I服務(wù)器來(lái)說(shuō)，800G比400G更為重要？首先，AI服務(wù)器需要高數(shù)據(jù)傳輸速率和低延遲，需要與底層帶寬相匹配的架頂式交換機(jī)。這些交換機(jī)可能還需要延遲冗余，這就需要高速光模塊。例如，NVIDIADGXH100服務(wù)器配備8個(gè)H100GPU模塊，其中每個(gè)GPU需要2個(gè)200G光模塊。因此，每臺(tái)服務(wù)器至少需要16個(gè)200G模塊，相應(yīng)的架頂交換機(jī)端口至少需要4個(gè)800G。其次，800G光芯片具有更高的成本效率和經(jīng)濟(jì)效益。它們使用100GEML芯片，而200G/400G使用50G光芯片。數(shù)據(jù)顯示，同等速率下，一顆100G光芯片的成本比兩顆50G光芯片低30%。盡管如此，400G光模塊在行業(yè)中仍然具有重要意義。雖然它們可能