In der Vergangenheit wurden Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Schnittstellen ursprünglich von den Anforderungen der Dienstanbieter an Dichte und spektrale Effizienz bestimmt. Optische Module fangen groß an – normalerweise eine Karte nach der anderen. Über mehrere Generationen hinweg wurde jede Geschwindigkeit in einem von zwei Paketen zusammengefasst: SFP und QSFP. Und wenn die Nachfrage erheblich steigt, sinken auch die Kosten und der Stromverbrauch allmählich.
Die fünfjährige Wachstumsrate von 400GbE ohne Kupferkabel und AOC wird voraussichtlich auch 20-mal schneller sein als die von 100GbE (siehe Abbildung unten: Vergleich der ersten fünf Jahre von 100GbE und 400GbE). Diese Chance führt zu beispiellosen Brancheninvestitionen etablierter Unternehmen und Start-ups.
400 GbEauf der Überholspur
Die Entwicklung von 10GbE von XENPAK zu SFP+ dauerte zehn Jahre. Das 100GbE implementierte CFP, CPAK und CFP2 und wechselte dann innerhalb von 5 Jahren zu QSFP28. Auch 100GbE litt unter den Fehltritten von CFP4, lernte aber auch eine wichtige Lektion: Die Optik muss mit anderen Zielen für Plattformen, Netzwerke und Unternehmen synchronisiert werden. Wenn nicht, ist es Zeit- und Geldverschwendung. Die Größe von CFP4 ist attraktiv, aber es beeinträchtigt die Abwärtskompatibilität und erfüllt nicht alle drei Ziele.
Das Erreichen einer hohen Kapazität und niedriger Kosten für 400 GbE ist für Netzwerkbetreiber, Chiphersteller, optische Anbieter, Router- und Switch-Anbieter und viele andere Mitglieder des optischen Ökosystems von entscheidender Bedeutung. Einer der Gründe für die erfolgreiche Einführung von 400GbE war insbesondere die Konvergenz von Rate und PMD zwischen IEEE-, OIF- und Multi-Source-Protocol-Mitgliedern (MSA). Leider verfügte die Branche zunächst über zwei steckbare Verpackungsmodelle, was zu einer Neuentwicklung und Herstellung führte. Diese Duplizierung kann die Fähigkeit des Marktes verringern, gemeinsame Lösungen zu erweitern.
Nachteile der beiden Transceiver-Kapselungsmodi
Zu den Schlüsselfaktoren für die erfolgreiche Einführung von 400GbE gehören Kosten, Investitionsschutz und Lieferkette. Wenn die Kosten entscheidend sind, ist es wichtig, die Funktionalität nicht zu überbauen. Der ursprüngliche 100-GbE-Standard basierte auf Singlemode-Glasfaser über 10 km. Später entwickelte die Industrie kurze Distanzen, um die Leistung zu optimieren und die Kosten zu senken. Das 400GbE wird von einer schnelleren vollständigen Verfügbarkeit und kleineren Größen profitieren – von anfänglich 1 m bis 10 km im Jahr 2019 bis hin zu 100 km im Jahr 2020.
Ein weiterer Kostentreiber ist die Erzielung von Skaleneffekten. Leider verhindert die Existenz beider Modulkapselungsformate, dass der Markt die anderen Vorteile der Konsistenz voll ausschöpfen kann. Lean Manufacturing ist für Skaleneffekte von entscheidender Bedeutung, da die Nachfrage die Produktion und damit die Kosten steigert. Daher ist eine gemeinsame Produktionslinie der Schlüssel, und große Ökosysteme mit Dutzenden von Unternehmen werden von der Standardisierung profitieren. Das Ökosystem umfasst Entwickler von Fertigungsanlagen, Testgeräten, Software-Designtools, Steckverbindern und Käfigen, thermischen Lösungen sowie Compliance- und Zertifizierungsgeräten. Angesichts der frühen Erwartungen und des schnellen Wachstums von 400 GbE ist es wichtig, schnell eine Gemeinsamkeit zu erreichen.
Warum ist Abwärtskompatibilität so wichtig?
Im letzten Jahrzehnt hat sich das Kostenverhältnis zwischen Mainframe-Plattformen und optischen Geräten deutlich hin zu optischen Geräten verschoben, ein Trend, der sich mit der Einführung von 400 GbE noch beschleunigen wird. Die Kompatibilität zwischen den Generationen trägt dazu bei, diesem Trend entgegenzuwirken. Bis Ende 2019 werden mehr als 24 Millionen QSFP-Module eingesetzt, mit einer Investition von mehr als 8 Milliarden US-Dollar. Selbst mit der Einführung von 400 GbE wird die Nachfrage nach 100 GbE QSFP dank des Aufkommens von 100 GbE-Servern und der erhöhten Bandbreite im gesamten Netzwerk für Unternehmen und Dienstanbieter weiterhin stark wachsen.
Es reicht nicht aus, neue Geräte hinzuzufügen und im selben Netzwerk schneller zu laufen; Mehrere Aspekte der Abwärtskompatibilität müssen berücksichtigt werden, einschließlich der Wiederverwendung vorhandener Module und der laufenden Investition in 100 GbE. Daher können nur neue Ports implementiert werden, die bestehende Module unterstützen. Zweitens sind die Kosten-, Energie- und Platzbedarfsvorteile des Einsatzes der neuesten Router und Switches älter als der Bedarf an 400-GbE-Funktionalität. Dadurch können sich Betreiber auf zukünftiges Wachstum vorbereiten und von neuer Hardware profitieren, ohne sofort in die 400-GbE-Optik der ersten Generation investieren zu müssen. Schließlich besteht die Notwendigkeit, Investitionen in installierte Router und Switches zu schützen, die mit der Kühlarchitektur kompatibel sind (z. B. von oben nach unten oder von Seite zu Seite). QSFP-DD löst dieses Problem durch die Trennung von Modulen und Strahlern und ermöglicht so die individuelle Anpassung des Hostsystems nach Bedarf.
Wo möglich, sollte die neue Generation versuchen, die Abwärtskompatibilität aufrechtzuerhalten. Die Erweiterung der Kompatibilität auf die dritte oder sogar vierte Generation ist technisch anspruchsvoll, aber auch wertvoll. Die Entscheidung, den Investitionsschutz gegen neue Anforderungen abzuwägen, ist nie einfach. In den Jahren 2017 und 2018 geht es um die Notwendigkeit gekapselter Formkonvertierungen mit 400 GbE, 800 GbE und noch höheren Geschwindigkeiten. Es ist allgemein anerkannt, dass Konvertierungen gekapselter Formulare vorgenommen werden sollten, wenn dies aufgrund technischer Probleme oder Kosten unbedingt erforderlich ist. Das Erreichen von Investitionsschutz, hoher Dichte und einem umfassenden Leistungsspektrum erfordert Risiken, aber QSFP-DD kann all dies bewältigen und ermöglicht der Branche, mit Skaleneffekten voranzukommen.
QSFP-DD-Herausforderungen und -Lösungen
Die Abwärtskompatibilität mit QSFP-DD erfordert die Bewältigung einer Vielzahl von Herausforderungen, darunter Komponentengröße und -layout, Modul- und Systemkühlung sowie elektrische Anschlüsse, die vier und acht Kanäle mit 56G SerDes unterstützen. Diese Faktoren hängen miteinander zusammen und erfordern die Berücksichtigung anderer Systemkomponenten, wie z. B. Hochleistungs-ASICs. Natürlich sind diese mechanischen Herausforderungen bei neuen Modultypen, die die Kompatibilität mit früheren Generationen beeinträchtigen, einfacher zu lösen.
Eine der offensichtlichsten technischen Herausforderungen ist die Kühlung. Das anfängliche 400-GbE-PMD wird voraussichtlich 12 W benötigen, während das QSFP28 nur etwa 4 W unterstützt. Daher ist es verständlich, warum manche Schwierigkeiten haben, den Sprung zu wagen. Der Erfolg des ursprünglichen Ziels führte zu noch größeren Ambitionen. Das für 2020 geplante kohärente Modul 400ZR/ZR+ benötigt möglicherweise 20 W. Kontinuierliche Innovationen, einschließlich der Systeme und des Käfigdesigns, haben gezeigt, dass dies möglich ist, und die Normungsorganisation wird diese bald genehmigenLösungen für QSFP-DD. Der letzte Schritt zur Unterstützung von 20 W wird durch das Hinzufügen eines Strahlers an der Vorderseite des Moduls erreicht. Wie in der Abbildung unten gezeigt.
Ein weiterer thermischer Aspekt besteht darin, dass optische Module nicht als geschlossenes System betrachtet werden können; Sie müssen im Gesamtdesign eines Routers, Switches oder Servers funktionieren. Im Vergleich zu OSFP besteht ein wichtiges Merkmal von QSFP-Modulen darin, dass ihre geringere Stellfläche einen größeren Lufteinlass ermöglicht. Dieser Faktor kommt dem Rest des Systems zugute, wie die Plattform, die beide Optionen bietet, deutlich zeigt.
Es gibt viele andere Bereiche, in denen der Investitionsschutz in QSFP-DD eine groß angelegte branchenweite Zusammenarbeit erfordert. Jeder Schritt auf dem Weg von 40G zu 400G stellt einen bedeutenden technologischen Fortschritt dar, von dem viele früher für unmöglich gehalten wurden. In diesem Stadium beginnt man, sich mit diesen Herausforderungen für zukünftige Ethernet-Geschwindigkeiten zu befassen, daher sollten wir dem ursprünglichen Argument, dass repetitives QSFP seine Grenzen erreicht hat, skeptisch gegenüberstehen.
Das Management der Lieferkette ist zu einem entscheidenden Differenzierungsfaktor für den Erfolg von Hardwarelieferanten und Netzwerkbetreibern geworden. Da der Einsatz großer, skalierbarer Rechenzentren so groß ist, ist die Anbietervielfalt von entscheidender Bedeutung. Wenn die beiden modularen Kapselungsmuster bestehen bleiben, muss möglicherweise jeder Anbieter das Supply Chain Management aufteilen.
Die beste Marktoption ist die Lieferung in großen Mengen zu akzeptablen Kosten. Sobald das Modulkapselungsmuster erfolgreich integriert ist, wird der 400-GbE-Rollout von der Optimierung aller Mitwirkenden und mehrerer Wettbewerber des Anbieters profitieren. Wir können die Lehren aus CFP4 nicht wiederholen, nur um eine ungerechtfertigte kurzfristige Risikominderung zu erreichen.
Abschluss
Die Einführung von 400GbE beginnt im Jahr 2019 und wird rasant zunehmen. Die Debatte über die Form der Verpackung optischer Module ist weitgehend vorbei, und ob sich der Systemanbieter für QSFP-DD oder beides entschieden hat, der Fokus hat sich nun auf zukünftige Geschwindigkeiten verlagert. Langfristig wird sich 400GbE hauptsächlich für QSFP-DD entscheiden. Da die Branche weiterhin QSFP-DD integriert, werden Skaleneffekte entstehen und 400GbE wird sein volles Potenzial erreichen.
