vedomosti

Výber medzi optickým prepojením a elektrickým prepojením nie je záležitosťou vyhlásenia jednej technológie za rýchlejšiu alebo pokročilejšiu. Užitočnou technickou otázkou je, kde sa každé médium zmestí do požadovanej šírky pásma, dosahu, výkonu, hustoty, latencie a životného cyklu-nákladovej obálky.

Elektrické spojenia zostávajú vysoko účinné na krátky dosah. V skutočnosti súčasná práca na OIFelektrické rozhrania triedy 224 Gb/s-sa zameriava na čipové-do-modulu, čip{2}}na-čipové a prepojovacie/medené-aplikácie káblov. Optické spojenia sa stávajú presvedčivejšie, pretože dosah, agregovaná šírka pásma a hustota kabeláže sa zvyšujú, najmä keď elektrické straty a vyrovnávanie začnú spotrebovávať viac energie a konštrukčnej rezervy.

Táto príručka porovnáva tieto dve stránky na úplnej{0}}úrovni prepojenia a uvádza praktické príklady kríženia namiesto spoliehania sa na jednu univerzálnu vzdialenosť.

Optické vs elektrické prepojenie na prvý pohľad

Čo je elektrické prepojenie?

Elektrické prepojenie prenáša dáta cez vodivý kanál, ako je stopa PCB, konektor, základná doska alebo medený kábel. Vysielač spustí elektrický signál a prijímač rekonštruuje dáta potom, čo signál prejde kanálom.

Elektrická signalizácia je vyspelá a schopná veľmi vysokého výkonu. Výzva spočíva v tom, že používanie kanála nie je rovnako jednoduché, keďže sa zvyšuje rýchlosť jazdných pruhov a vzdialenosť. Útlm, impedančné diskontinuity, odrazy, presluchy a šum môžu vyžadovať silnejšiu ekvalizáciu vysielača, ekvalizáciu prijímača, korekciu chýb dopredu, prečasovanie alebo lepšie materiály.

Práca OIF CEI-224G jasne hovorí: elektrina nie je synonymom nízkej rýchlosti. Projekt CEI-224G-MR sa zameriava na signalizáciu 144 až 232 Gb/s až do 500 mm dosky plošných spojov a jedného konektora, zatiaľ čo CEI-224G-LR sa zameriava na rovnaký rozsah signalizácie až do 1 000 mm základnej dosky a až dvoch konektorov. Sú to zámerne krátke fyzické kanály, ale extrémne vysoké rýchlosti jazdných pruhov.

Pre konvenčnú sieťovú kabeláž zostáva meď užitočná tam, kde inštalované rozhranie a vzdialenosť zodpovedajú jej špecifikácii. Hengtong'sRozsah patch káblov Cat 6je jedným z príkladov širšieho medeného ekosystému používaného na ethernetové pripojenie s krátkym{0}}dosahom.

Čo je to optické prepojenie?

Optické prepojenie prenáša modulované svetlo cez vlákno alebo fotonický vlnovod. Praktické spojenie zvyčajne zahŕňa elektrické rozhranie, optický vysielač alebo modulátor, optický kanál, fotodetektor a elektroniku prijímača:

Elektrické dáta → optický vysielač → optický kanál → optický prijímač → elektrické dáta

Na tomto konverznom reťazci záleží. Samotné vlákno má nízku stratu a je imúnne voči EMI, ale celé optické spojenie stále spotrebúva energiu a zvyšuje zložitosť implementácie. Správne porovnanie teda nie je medený kábel verzus holé vlákno; ide o jednu kompletnú architektúru vysielača-kanálového{3}}prijímača oproti inej.

Implementácia sa tiež mení so vzdialenosťou.Multimódové vláknoje široko používaný pre optické spojenia s krátkym{0}}dosahomjedno{0}}režimové vláknopodporuje dlhšie-dosah a vysokokapacitné{1}}architektúry. Na úrovni výbavy sú optické linky závislé od komponentov ako naprvysokorýchlostné optické transceivery a optické komponenty.

Šesť rozdielov, na ktorých záleží v dizajne skutočného systému

1. Šírka pásma a dosah musia byť hodnotené spoločne

Samotná šírka pásma nerozhoduje o médiu. Veľmi vysoká-rýchlosť elektrického pruhu môže dobre fungovať na prísne kontrolovanom krátkom kanáli, zatiaľ čo optika dokáže udržať veľkú agregovanú šírku pásma na oveľa väčšie vzdialenosti.

Dve skupiny štandardov ilustrujú rozdiel v mierke. Elektrické projekty OIF CEI-224G riešia 144–232 Gb/s signalizáciu cez pod-metrové kanály na doske/základnej doske. Čo sa týka optickej stránky, základné línie IEEE P802.3bs 400GbE zahŕňajú 400GBASE-DR4 pre najmenej 500 m-jednorežimového vlákna, 2 km jednovláknový-režim-objektív s jedným vláknom a 10 km jednorežimový{2}{0}objektív.{18} Nie sú to priame náhrady{21}}za jedného, ​​ale ukazujú, prečo je univerzálna „vzdialenosť kríženia“ zavádzajúca: odpoveď závisí od generácie rozhrania a triedy prepojenia.

TheSúhrn základného štandardu IEEE P802.3bsje užitočná, keď dizajnérsky tím potrebuje prepojiť{0}}cieľovú rýchlosť prenosu údajov so skutočnou triedou dosahu namiesto používania vágnych fráz, ako napríklad „vysoká rýchlosť“ alebo „veľká vzdialenosť“.

2. Integrita signálu sa stáva iným problémom

Elektrické spojenia musia zvládať vložný útlm, spätný útlm, odrazy, presluchy a EMI. Vysoko-rýchlostné kanály často závisia od presného riadenia impedancie, dizajnu konektora, vyrovnávania SerDes a simulácie kanálov.

Vlákno odstraňuje niekoľko problémov s elektrickým-kanálom. Nevedie elektrický prúd a nie je náchylný na EMI ako meď. To môže byť rozhodujúce v elektricky hlučnom prostredí alebo keď veľa vysokorýchlostných kanálov musí prechádzať stiesneným priestorom.

Optika neodstraňuje inžiniersku zložitosť; mení to zložitosť. Návrhári optiky musia zvládnuť integráciu lasera alebo zdroja, stratu spojenia, čistotu konektora, zarovnanie, fotodetekciu, tepelné správanie a optické balenie.

3. Sila má prechod, nie univerzálny víťaz

Krátke elektrické prepojenie môže byť veľmi energeticky{0}}účinné, pretože sa vyhýba optickej konverzii. Keď sa však elektrický kanál stáva tvrdším, môže byť potrebné viac vyrovnávania, prečasovania alebo aktívnej káblovej elektroniky. Optické spoje zavádzajú vlastný laser, modulátor a výkon prijímača.

Preto je energia na bit užitočnejšia ako otázka, či „vlákno spotrebuje menej energie“.Systémové-požiadavky dodávateľa OIF na energeticky-efektívne rozhranianamiesto univerzálneho tvrdenia dávajte užitočné technické ciele: jeden predný{0}}optický{1}}prípad použitia vyžaduje menej ako 10 pJ/bit pre optický stroj plus laser, zatiaľ čo zadné-prepojovacie puzdro má za cieľ výrazne menej ako 4 pJ/bit. Toto sú konštrukčné požiadavky a ciele, nie zaručené merania pre každý optický produkt.

Rovnaký dokument OIF tiež oddeľuje rozsahy nasadenia: prepojenia predných{0}}údajov{1}}centrov môžu mať dĺžku približne 0 – 500 m a niekedy až 2 km; prepojenia zadného-urýchľovača môžu mať dĺžku približne 300 m; a lokálne výpočtové prepojenia sú opísané v rozsahu 7–10 m. Toto je praktickejší spôsob uvažovania o crossoveri ako hľadanie jednej magickej vzdialenosti.

4. Latencia závisí od celého odkazu

Optická by sa nemala automaticky považovať za nižšiu-možnosť latencie. Šírenie je len časťou latencie od konca do{2}}po{3}}. Optické spojenie môže zahŕňať moduláciu, elektrickú-na-opčnú konverziu, fotodetekciu, FEC a spracovanie prijímača. Elektrické spojenie môže zahŕňať serializáciu, vyrovnávanie, FEC a retimery.

Ak je latencia obmedzením návrhu, porovnajte celú cestu od vysielača k prijímaču, vrátane každého retimera, DSP a FEC fázy. Kratšia fyzická cesta s náročnejším spracovaním môže stratiť na dlhšej ceste s jednoduchšou dátovou cestou.

5. Hustota, objem káblov a prúdenie vzduchu sa stávajú systémovými obmedzeniami

Problémom nie je len to, koľko gigabitov prenesie jeden odkaz. Ide o to, koľko šírky pásma môže prejsť čelnou doskou, káblovým žľabom, stojanom alebo prepínačom bez toho, aby blokovalo prúdenie vzduchu alebo zaberalo nadmerný priestor na smerovanie.

Vlákno môže prenášať veľkú agregovanú šírku pásma v relatívne malom priereze kábla-. Architektúry paralelnej-optiky využívajú aj viac-vláknovú konektivitu ako naprprodukty MPO/MTP, ktoré sú bežné v kabeláži centier s vysokou{0}}hustotou údajov-.

6. Zmeny nákladov, keď prejdete z ceny komponentu na cenu životného cyklu

Elektrické spojenia často vyhrávajú na počiatočných nákladoch na komponenty pri krátkom dosahu. Optické prepojenia pridávajú transceivery, optické rozhrania a požiadavky na správu{1}}vláknových vlákien. To neznamená, že optika má automaticky nižšie celkové náklady v rozsahu.

Užitočné porovnanie TCO by malo zahŕňať:

• náklady na kábel, konektor a transceiver;
• časovač, AEC alebo elektronika{0}}na úpravu signálu;
• napájanie prepínača a NIC portu;
• chladenie spojené s linkovou elektronikou;
• hustota portov a obmedzenia čelnej dosky;
• úsilie o inštaláciu a údržbu;
• cykly aktualizácie a či nainštalované médium môže podporovať budúce rozhrania.

Namiesto predpokladu, že jedno médium má nižšie TCO, postavte porovnanie na skutočný počet portov, dosah a očakávaný horizont upgradu.

Keď je elektrické prepojenie zvyčajne lepšou voľbou

Elektrická konektivita sa zvyčajne uprednostňuje, keď je kanál fyzicky krátky a vybrané elektrické rozhranie má pohodlnú hranicu integrity signálu-.

• Vo vnútri balenia, dosky alebo podvozku:elektrické prepojenia zabraňujú zbytočnej optickej konverzii a využívajú vyspelý dizajnový ekosystém.
• Krátke káblové vedenia so zavedeným medeným štandardom:meď môže byť jednoduchá, lacná a nenáročná na údržbu.
• Napájanie musí ísť s pripojením:stále je potrebná vodivá infraštruktúra. Ak projekt potrebuje optické dáta aj napájanie v jednej káblovej konštrukcii, afotoelektrický kompozitný kábelmôžu kombinovať vlákno a elektrické vodiče, ale samotné optické vlákna neprenášajú elektrickú energiu.
• Požadovaná šírka pásma je pohodlne pod limitom elektrického kanála:pridanie optiky nevytvára hodnotu, ak existujúce elektrické spojenie už spĺňa ciele dosahu, výkonu a hustoty.

Keď sa optické prepojenie stane silnejšou voľbou

Prípad optiky sa posilňuje, keď sa súčasne objaví niekoľko obmedzení, a nie keď jedno číslo prekročí pevnú hranicu.

• Dosah sa pohybuje od mierky dosky/šasi smerom k regálovej, riadkovej alebo dátovej{0}}stredovej stupnici.
• Súhrnná šírka pásma rastie rýchlejšie ako dostupná rezerva elektrického kanála.
• Prečasovanie, ekvalizácia alebo aktívna medená elektronika pohltí neprijateľný podiel z energetického rozpočtu.
• Obmedzenia EMI, presluchov alebo uzemnenia je ťažké zvládnuť.
• Hustota portov, objem kábla alebo prúdenie vzduchu sa stali fyzickým konštrukčným limitom.
• Očakáva sa, že továreň na výrobu káblov bude podporovať viaceré budúce generácie vysokorýchlostných-rozhraní.

Tieto stavy sú bežné-pri počítačoch s vysokou hustotou apripojenie k dátovému{{0}centru, kde ten istý systém môže využívať elektrické prepojenia v rámci serverov a optické prepojenia medzi stojanmi alebo prepínacími vrstvami.

Crossover Point: Použite maticu dosahu, šírky pásma a výkonu

Neexistuje univerzálna vzdialenosť, kde meď končí a začína optika. Lepším prístupom je klasifikovať pripojenie podľa fyzickej mierky a potom otestovať, či elektrická implementácia má ešte rezervu.

Konkrétne v prípade AI/HPC, požiadavky na energeticky{0}}účinné{1}}rozhranie OIF umiestňujú predné-zariadenia, zadné-konce a lokálne výpočtové prepojenia do rôznych kategórií dosahu a výkonu. Hengtongov sprievodcameď verzus vlákno v dátových centrách AImožno použiť ako nasledujúci{0}}pri čítaní, keď je rozhodnutie spojené s klastrovou architektúrou AI, a nie so všeobecným sieťovaním.

Optické a elektrické prepojenia zvyčajne spolupracujú

Mnohé moderné systémy sú svojou konštrukciou hybridné. Elektrická signalizácia zostáva účinná v blízkosti procesorov, pamätí, prepínačov ASIC a inej elektroniky. Spojenie prechádza do optiky, kde vzdialenosť, hustota šírky pásma alebo tlak na integritu signálu-odôvodňujú konverziu.

Prechodový bod sa tiež posúva. Spolupráca OIF{1}}definuje spoločný modul s rýchlosťou 3,2 Tb/s{3}} pre ethernetové prepínacie aplikácie a zameriava sa na približne 140 Gb/s na milimeter okrajovej šírky pásma. Širší smer v tomto odvetví je skôr skracovať dĺžku vysokorýchlostnej elektrickej cesty medzi ASIC a optickým motorom, než úplne eliminovať elektrickú signalizáciu.

TheDohoda o implementácii spoločného balíka OIF 3.2T-je užitočným odkazom na pochopenie toho, prečo je „optické verzus elektrické“ čoraz častejšie otázkou architektonického umiestnenia.

Časté mylné predstavy

"Optika je vždy rýchlejšia."

Nie. Optický systém má veľké výhody v oblasti šírky pásma a dosahu, ale celkový-koncový výkon{2}}závisí aj od vysielača, prijímača, DSP, FEC a protokolu. Krátke elektrické rozhranie môže spĺňať rovnakú požiadavku aplikácie s menším počtom stupňov konverzie.

"Optika vždy spotrebuje menej energie."

Nie. Krátke elektrické spojenie môže byť mimoriadne efektívne. Optika sa stáva atraktívnejšou, keď si kompletná elektrická implementácia vyžaduje podstatné vyrovnanie, prečasovanie alebo aktívnu káblovú elektroniku. Pre úplný odkaz porovnajte pJ/bit.

"Meď je zastaraná."

Nie. OIF aktívne definuje 224 Gb/s-elektrické rozhrania triedy pre systémy ďalšej-generácie. Elektrické prepojenia zostávajú nevyhnutné v blízkosti výpočtovej techniky av rámci zariadenia.

"Optické prepojenie znamená iba vlákno."

Nie. Optické spojenie zahŕňa elektro-optické komponenty, obaly a elektroniku. Vlákno môže predstavovať najnižšiu-stratovú časť kanála, ale nie je to celý systém.

Často kladené otázky

V akej vzdialenosti by malo byť elektrické prepojenie nahradené optickým?

Univerzálna vzdialenosť neexistuje. Pri veľmi vysokých rýchlostiach jazdných pruhov môžu byť elektrické štandardy optimalizované pre pod-metrové kanály a kanály základnej dosky, zatiaľ čo štandardy optického Ethernetu podporujú stovky metrov alebo kilometrov. Rozhodnutie by malo kombinovať dosah, rýchlosť jazdných pruhov, súhrnnú šírku pásma, výkon, hustotu a náklady.

Je optické prepojenie lepšie pre dátové centrá AI?

Často je dôležité pre škálovanie{0}}prepojení a vysoko{1}}hustotných spojení, ale elektrické spojenia stále dominujú mnohým krátkym spojeniam v blízkosti urýchľovačov a kremíkových spínačov. Súčasné požiadavky OIF explicitne považujú front-zadné{4}}zariadenia a lokálne výpočtové prepojenia za rôzne priestory dizajnu.

Znižuje optické prepojenie latenciu?

Nie automaticky. Optické šírenie je len jednou časťou latencie. Konverzia, DSP a FEC môžu byť rovnako dôležité ako médium. Porovnajte celú dátovú cestu.

Prenáša optické prepojenie elektrickú energiu?

Optické vlákno nie. Vyžaduje sa samostatný vodič. Hybridný alebo fotoelektrický kompozitný kábel môže umiestniť optické vlákna a elektrické vodiče do rovnakej konštrukcie kábla, keď sú potrebné dáta aj napájanie.

Aká je najužitočnejšia metrika na porovnanie výkonu?

Využite úplnú-energiu prepojenia na bit spolu s celkovým výkonom portu a chladením. Samotné napájanie komponentov môže skryť náklady na retimery, DSP, lasery alebo aktívnu káblovú elektroniku inde v ceste.

Nahradí ko-zabalená optika zásuvnú optiku a elektrické prepojenia?

Nie ako univerzálna náhrada. Spolu{1}}zabalená optika predstavuje architektúru, ktorá priblíži optický stroj k prepínaciemu alebo výpočtovému kremíku. Zásuvná optika, aktívne elektrické káble, pasívna meď a elektrické prepojenia na-doskovej úrovni budú naďalej vyhovovať rôznym požiadavkám na dosah, servis, náklady a výkon.

Záverečné jedlo so sebou

Elektrické prepojenie je najsilnejšie tam, kde je fyzický kanál krátky, rozhranie má dostatočnú rezervu{0}}integrity signálu a záleží na jednoduchosti alebo nízkych počiatočných nákladoch. Optické prepojenie sa stáva presvedčivejším, pretože dosah, súhrnná šírka pásma, odolnosť proti EMI a hustota šírky pásma posúvajú elektrický kanál smerom k silnejšiemu vyrovnávaniu, prečasovaniu alebo aktívnemu{2}}káblovému napájaniu.

Výhybka teda nie je pevný počet metrov. Je to bod, v ktorom kompletné elektrické prepojenie už nespĺňa požadovanú šírku pásma, dosah, výkon, hustotu, latenciu a životný cyklus-nákladovej obálky s pohodlnou rezervou.

Najprv definujte tieto obmedzenia. Potom porovnajte kompletné elektrické a optické architektúry pri rovnakej dátovej rýchlosti a dosahu. V mnohých-výkonných systémoch nie je najlepším dizajnom izolovaný optický alebo elektrický systém; je to zámerný prechod od elektrickej signalizácie v blízkosti kremíka k optickej signalizácii, kde to odôvodňuje vzdialenosť a hustota šírky pásma.