Conhecimento

1.400G, está realmente aqui

Não muito tempo atrás, em março de 2024, a China Mobile inaugurou a primeira linha tronco 400G totalmente óptica interprovincial (Pequim Mongólia Interior) do mundo, que é considerada um marco importante.

A razão para atualizar a rede backbone para 400G é óbvia.

Por um lado, o crescimento do tráfego de consumo da Internet trazido pela vida digital dos residentes (vídeo de alta definição, teleconferência, transmissão online ao vivo, jogos online, etc.) continua.

Por outro lado, toda a indústria está a promover a transformação digital e o aumento do tráfego dos sistemas digitais da indústria intensificou a pressão sobre as redes de backbone.

O aumento repentino da pressão sobre a rede backbone também se deve a um motivo importante: a explosão da IA.

Após a ascensão do grande modelo AIGC, desencadeou uma onda de IA. Para atender às necessidades dos negócios de IA, é necessário construir um grande número de centros de computação inteligentes. O modelo evoluiu de bilhões de parâmetros para trilhões de parâmetros, e o cluster de poder de computação da GPU também passou de um cluster de mil cartões para um cluster de dez mil cartões ou mesmo um cluster de cem mil cartões.

Um cluster de poder de computação GPU é, na verdade, um conjunto de enormes placas GPU (servidores GPU) conectadas entre si por meio de redes de alto desempenho, como InfiniBand e RoCEv2. Possui requisitos extremamente elevados de desempenho e confiabilidade da rede, o que afeta diretamente a eficiência e o custo do treinamento.

Somente em termos de velocidade da porta de rede dos servidores GPU, já começou com uma única porta de 400G e até requer 800G ou superior.

Portas de rede de servidores GPU

Anteriormente, os clusters de poder de computação GPU pertenciam à categoria DCN (Data Center Network). Agora, com a expansão contínua do tamanho do cluster, começamos a considerar a aplicação de centros de computação inteligentes distribuídos para modelar o treinamento.

Ou seja, vários centros de computação inteligentes em diferentes locais serão utilizados em conjunto para treinamento.

Isto impõe requisitos mais elevados para DCI (Rede de Interconexão de Data Centers), e a rede backbone de comunicação óptica deve ser capaz de atender a essa demanda em termos de desempenho técnico.

A estratégia do nosso país em poder computacional ainda segue a ideia de “coordenação nacional e layout geral”. A partir de fevereiro de 2022, a China lançou o Projeto de Computação Leste-Oeste para criar um sistema nacional integrado de poder de computação.

Simplificando, por um lado, precisamos construir um grande número de data centers (equivalentes a usinas de energia) e, por outro lado, também precisamos construir uma rede de transmissão de backbone robusta (equivalente a uma rede elétrica) para distribuir esse poder de computação e atender às necessidades de diversos setores.

Como o 400G foi alcançado?

A atual rede de backbone de comunicação óptica, como base de toda a sociedade digital, deve ter múltiplas características, como largura de banda ultra grande (400G, futuro 800G ou mesmo 1,6T), latência ultrabaixa (círculo de latência multinível), ultra grande redes em escala (servindo computação distribuída e clusters de IA mencionados anteriormente), estabilidade ultra-alta, confiabilidade ultra-alta, segurança ultra-alta, implantação ultra-flexível, operação inteligente e controle de manutenção, etc.

Hoje falaremos principalmente sobre a largura de banda de velocidade mais importante.

O desenvolvimento da tecnologia de comunicação óptica até os dias atuais, com o objetivo de melhorar a velocidade, nada mais é do que focar nos seguintes aspectos:

Em primeiro lugar, existe a taxa de transmissão.

A taxa de transmissão, também conhecida como taxa de bits, é o número de bits transmitidos por unidade de tempo, medido em bits por segundo.

Taxa de bits=taxa de transmissão multiplicada pelo número de bits binários correspondentes a um único estado de modulação.

A taxa de transmissão é o número de símbolos transmitidos por unidade de tempo. Quanto maior a taxa de transmissão, mais símbolos são transmitidos por segundo e, claro, maior a quantidade de informação, levando a um aumento na velocidade.

A taxa de transmissão é determinada pela capacidade do dispositivo óptico. Quanto mais avançado for o processo do chip do dispositivo, maior será a taxa de transmissão e maior será a taxa de bits.

Atualmente, o processo CMOS aumentou de 16nm para 7nm e 5nm, e a taxa de transmissão aumentou gradualmente de 30+GBaud para 64+GBaud, 90+GBaud e 128+ GBaud.

O atual 400G está disponível comercialmente graças à sua taxa de transmissão que chega a 128Gbaud.

Vamos dar uma outra olhada no método de modulação.

Os 'dígitos binários correspondentes a um único estado de modulação' na fórmula agora são determinados pelo método de modulação.

Os esquemas de modulação da tecnologia 400G atualmente incluem principalmente 16QAM, 16QAM-PCS (PCS é uma tecnologia de modelagem de probabilidade, que será apresentada em detalhes na próxima vez) e QPSK, que são adequados para diferentes cenários de aplicação.

A comunicação óptica é diferente da comunicação sem fio porque não busca cegamente a modulação de alta ordem.

Quanto menor a ordem de modulação, menores serão os requisitos da linha e menor será o custo de construção da rede. Assim, no estágio inicial de projeto de redes backbone de longa distância, o foco estava basicamente em 16QAM e QPSK. Mais tarde, o 16QAM-PCS também entrou na competição.

Anteriormente, não havia menção ao “Cálculo Leste-Oeste”, e as operadoras acreditavam que 400G não exigiria transmissão de longa distância. Portanto, a adoção de dispositivos de baixa taxa de transmissão com tecnologia mais madura e preços mais baixos, combinados com 16QAM com ordem de modulação mais alta, é a opinião dominante na indústria.

Mais tarde, por um lado, devido aos crescentes requisitos de distância de transmissão, aumentou de mais de 1000 km para vários milhares de km. Por outro lado, os dispositivos com taxa de transmissão de 128 GBaud amadureceram rapidamente (no cenário DCN, 800G subiu rapidamente, estimulando e promovendo a cadeia da indústria), criando condições para que o QPSK se destacasse.

QPSK tem uma tolerância maior à não linearidade e pode aumentar adequadamente a potência de entrada em comparação com 16QAM-PCS. Em segundo lugar, o limite OSNR consecutivo do QPSK é otimizado em comparação com 16QAM-PCS. Além disso, definir o espaçamento de canal do QPSK para 150 GHz garante quase nenhum custo de filtragem durante a transmissão.

Estas vantagens tornaram gradualmente o QPSK a escolha preferida da indústria para redes backbone e DCI.

Uma comparação aproximada de três opções

Agora, as duas primeiras opções são mais comumente consideradas para aplicações urbanas ou provinciais.

Em terceiro lugar, é expandir a banda de frequência.

A taxa de transmissão e a modulação afetam principalmente a taxa de onda única. Um cabo de fibra óptica pode ter múltiplas ondas, desde que a faixa espectral seja grande o suficiente.

Largura de banda de onda única x número de onda de fibra única=largura de banda de fibra única.

Conforme indicado na tabela anterior, o espaçamento de canais do QPSK 400G chega a 150GHz. Tanto a banda C tradicional quanto a banda C estendida são insuficientes para atender à demanda por largura de banda do espectro.

Assim, o método C6T+L6T está sendo adotado gradativamente, com largura de banda total do espectro de 12THz. Calcule, com 80 ondas e uma única onda de 400G, a capacidade total de uma única fibra é 32T. Se sacrificarmos alguma distância e usá-la para economizar custos, a implantação de QPSK ou 16QAM-PCS pode aumentar ainda mais a capacidade, chegando a 48T.

Para uma introdução detalhada às bandas de frequência, você pode ver aqui: Quais são as bandas de frequência para comunicação óptica?

O maior problema com a extensão da banda de frequência é se o dispositivo pode suportá-la e se o custo é controlável. Os dispositivos aqui referidos incluem ITLA, CDM, ICR, EDFA e WSS, que envolvem a transmissão e recepção de luz, bem como a troca e amplificação de caminhos ópticos.

Quando se trata de expansão de banda também há uma questão envolvida que é a integração.

A extensão de banda atual é na verdade mais parecida com uma simples ligação de dois sistemas (C e L). Dois sistemas operam de forma independente, transmitem através de multiplexação e depois se dividem na extremidade oposta, cada um continuando o processamento.

Se houver dois sistemas, o volume será maior, o consumo de energia será maior e o design será mais complexo. Portanto, a indústria precisa estudar como integrar dispositivos e realmente criar um sistema que suporte diferentes bandas estendidas ao mesmo tempo. Ou seja, alcançar a verdadeira integração.

A comunicação por fibra óptica, além de módulos e equipamentos ópticos, também requer atenção à fibra óptica.

A fibra óptica convencional atual é a fibra óptica G.652D. 400G QPSK também pode transmitir 1.500 km em G.652D com amplificação EDFA.

Após anos de verificação, a indústria identificou a fibra G.654E como a nova sucessora. Se usar o G.654E de melhor desempenho, nas mesmas condições, a distância de transmissão do 400G QPSK pode ser aumentada em mais de 30%.

G. O cabo de fibra óptica 654E tem capacidade para produção em larga escala e será implantado em linhas troncais de longa distância em grande escala. G. Algumas fibras ópticas de baixa perda da série 654 também se tornaram a escolha preferida para transmissão de longa distância através dos oceanos em sistemas de cabos submarinos.

Além da fibra óptica tradicional. A indústria também acredita que as fibras multinúcleos e as fibras ocas têm amplas perspectivas de aplicação.

A fibra multinúcleo é um tipo de multiplexação por divisão espacial, na qual mais núcleos de fibra são inseridos em uma fibra e poucos modos são usados ​​para aumentar significativamente a capacidade da fibra.

Os cabos ocos de fibra óptica são ainda mais impressionantes. Basta tornar o cabo de fibra óptica oco e substituir o núcleo de fibra de vidro por ar.

Foi comprovado que a fibra oca traz maior capacidade, menor latência, menor perda de transmissão e não linearidade ultrabaixa, e é amplamente considerada como uma das tecnologias mais promissoras em comunicação óptica pela indústria.

Próximo passo para 400G, 800G ou 1.6T?

Após a escala comercial oficial de 400G, toda a indústria se concentrará no sistema padrão técnico além de 400G.

A indústria ainda está debatendo intensamente se deve prosseguir com 800G, 1.2T ou 1.6T.

Se você deseja atingir velocidades mais altas, deve continuar trabalhando no "método de modulação + taxa de transmissão". 130 GBd, ou ainda mais, 260 GBd, é a direção inevitável. Uma taxa de transmissão mais alta significa que os dispositivos relacionados devem acompanhar e formar uma cadeia industrial madura.

Além de 400G, não podemos mais confiar no QPSK. A modulação 16QAM é atualmente uma opção amplamente reconhecida na indústria.

A faixa de frequência também precisa ser ainda mais ampliada. Com base na expansão de C e L, considere expandir para banda S, banda U, banda E, etc. Se for C+L+S, então é 12T+5T, alcançando uma largura de banda de 17THz.

Com a combinação de vários fatores, a taxa de transmissão de uma única fibra em uma única direção pode exceder 100 Tbps, o que está chegando.

Dentro do data center, 800G (com base em taxas de transmissão acima de 100GBd, canal único 100G) está disponível comercialmente. Canal único 200G, 400G, 800G, é só uma questão de tempo. A este respeito, o progresso é mais rápido no estrangeiro.

Com o aumento contínuo da capacidade, os desafios tecnológicos que isso traz também aumentam. O desenvolvimento da comunicação óptica, em outras palavras, depende de dispositivos, chips, processos e materiais.

Para atender aos requisitos de consumo de energia, segurança, operação e manutenção mencionados anteriormente, também conta com uma série de inovações como tecnologia, arquitetura, embalagem, inteligência artificial e gêmeos digitais. Ainda há muito trabalho a ser feito a montante e a jusante da cadeia industrial. O caminho a percorrer ainda é longo.