Conocimiento

1.400G, realmente está aquí

No hace mucho, en marzo de 2024, China Mobile inauguró la primera línea troncal interprovincial (Beijing Interior Mongolia) totalmente óptica de 400G del mundo, lo que se considera un hito importante.

La razón para actualizar la red troncal a 400G es obvia.

Por un lado, continúa el crecimiento del tráfico de Internet de los consumidores provocado por la vida digital de los residentes (vídeo de alta definición, teleconferencias, retransmisiones en directo online, juegos online, etc.).

Por otro lado, toda la industria está promoviendo la transformación digital y el aumento del tráfico procedente de los sistemas digitales de la industria ha intensificado la presión sobre las redes troncales.

El repentino aumento de la presión sobre la red troncal también se debe a una razón clave: la explosión de la IA.

Después del surgimiento del gran modelo AIGC, desencadenó una ola de IA. Para satisfacer las necesidades de las empresas de IA, es necesario construir una gran cantidad de centros informáticos inteligentes. El modelo ha evolucionado de miles de millones de parámetros a billones de parámetros, y el grupo de potencia informática de la GPU también ha pasado de un grupo de mil tarjetas a un grupo de diez mil tarjetas o incluso a cien mil tarjetas.

Un clúster de potencia informática de GPU es en realidad un conjunto de tarjetas GPU masivas (servidores GPU) conectadas entre sí a través de redes de alto rendimiento como InfiniBand y RoCEv2. Tiene requisitos extremadamente altos de rendimiento y confiabilidad de la red, lo que afecta directamente la eficiencia y el costo de la capacitación.

Solo en términos de la velocidad del puerto de red de los servidores GPU, ya comenzó desde un único puerto de 400G, e incluso requiere 800G o más.

Puertos de red de servidores GPU

Anteriormente, los clústeres de potencia informática de GPU pertenecían a la categoría de DCN (red de centro de datos). Ahora, con la continua expansión del tamaño de los clústeres, hemos comenzado a considerar la aplicación de centros de computación inteligentes distribuidos al entrenamiento de modelos.

Es decir, se utilizarán juntos varios centros de computación inteligentes en diferentes ubicaciones para la capacitación.

Esto plantea requisitos más altos para DCI (Red de interconexión de centros de datos), y la red troncal de comunicaciones ópticas debe poder satisfacer esta demanda en términos de rendimiento técnico.

La estrategia de nuestro país en materia de potencia informática todavía se adhiere a la idea de "coordinación nacional y diseño general". A partir de febrero de 2022, China lanzó el Proyecto de Computación Este-Oeste para crear un sistema de potencia informática integrado a nivel nacional.

En pocas palabras, por un lado, necesitamos construir una gran cantidad de centros de datos (equivalentes a plantas de energía) y, por otro lado, también necesitamos construir una red troncal de transmisión robusta (equivalente a una red eléctrica) para distribuir. esta potencia informática y satisfacer las necesidades de diversas industrias.

¿Cómo se lograron los 400G?

La actual red troncal de comunicaciones ópticas, como base de toda la sociedad digital, debe tener múltiples características, como ancho de banda ultragrande (400G, futuro 800G o incluso 1,6T), latencia ultrabaja (círculo de latencia multinivel), ultragrande Redes a escala (que sirven a la informática distribuida y a los clústeres de IA mencionados anteriormente), estabilidad ultra alta, confiabilidad ultra alta, seguridad ultra alta, implementación ultra flexible, control inteligente de operación y mantenimiento, etc.

Hoy hablaremos principalmente de la velocidad más importante del ancho de banda.

El desarrollo de la tecnología de comunicaciones ópticas hasta el día de hoy, para lograr la mejora de la velocidad, no es más que centrarse en los siguientes aspectos:

En primer lugar, está la velocidad en baudios.

La velocidad de transmisión, también conocida como tasa de bits, es la cantidad de bits transmitidos por unidad de tiempo, medida en bits por segundo.

Velocidad de bits=velocidad en baudios multiplicada por el número de bits binarios correspondientes a un único estado de modulación.

La velocidad en baudios es el número de símbolos transmitidos por unidad de tiempo. Cuanto mayor es la velocidad en baudios, más símbolos se transmiten por segundo y, por supuesto, mayor es la cantidad de información, lo que conlleva un aumento de la velocidad.

La velocidad en baudios está determinada por la capacidad del dispositivo óptico. Cuanto más avanzado sea el proceso del chip del dispositivo, mayor será la velocidad en baudios y mayor la velocidad de bits.

En la actualidad, el proceso CMOS ha aumentado de 16 nm a 7 nm y 5 nm, y la velocidad en baudios ha aumentado gradualmente de 30+GBaud a 64+GBaud, 90+GBaud y 128+ GBaud.

El 400G actual está disponible comercialmente gracias a su velocidad en baudios que alcanza los 128 Gbaud.

Echemos otro vistazo al método de modulación.

Los 'dígitos binarios correspondientes a un único estado de modulación' en la fórmula de ahora están determinados por el método de modulación.

Los esquemas de modulación de la tecnología 400G actualmente incluyen principalmente 16QAM, 16QAM-PCS (PCS es una tecnología de modelado de probabilidad, que se presentará en detalle la próxima vez) y QPSK, que son adecuados para diferentes escenarios de aplicación.

La comunicación óptica se diferencia de la comunicación inalámbrica en que no persigue ciegamente una modulación de alto orden.

Cuanto menor sea el orden de modulación, menores serán los requisitos de la línea y menor el costo de construcción de la red. Entonces, en la etapa inicial de diseño de las redes troncales de larga distancia, la atención se centró básicamente en 16QAM y QPSK. Posteriormente, 16QAM-PCS también se unió a la competencia.

Anteriormente, no se mencionaba el "cálculo Este Oeste" y los operadores creían que 400G no requeriría una transmisión de larga distancia. Por lo tanto, la opinión generalizada en la industria es adoptar dispositivos de baja velocidad de baudios con tecnología más madura y precios más bajos, combinados con 16QAM con mayor orden de modulación.

Más tarde, por un lado, debido a las crecientes necesidades de distancia de transmisión, ésta aumentó de más de 1.000 km a varios miles de km. Por otro lado, los dispositivos con velocidad de transmisión de 128 GBauds maduraron rápidamente (en el escenario DCN, 800G aumentó rápidamente, estimulando y promoviendo la cadena industrial), creando las condiciones para que QPSK se destaque.

QPSK tiene una mayor tolerancia a la no linealidad y puede aumentar adecuadamente la potencia de entrada en comparación con 16QAM-PCS. En segundo lugar, el umbral OSNR consecutivo de QPSK está optimizado en comparación con 16QAM-PCS. Además, establecer el espaciado de canales de QPSK en 150 GHz garantiza que casi no haya costos de filtrado durante la transmisión.

Estas ventajas han convertido gradualmente a QPSK en la opción preferida de la industria para redes troncales y DCI.

Una comparación aproximada de tres opciones.

Ahora, las dos primeras opciones se consideran más comúnmente para aplicaciones urbanas o provinciales.

En tercer lugar, se trata de ampliar la banda de frecuencia.

La velocidad en baudios y la modulación afectan principalmente a la velocidad de onda única. Un cable de fibra óptica puede tener múltiples ondas, siempre que el rango espectral sea lo suficientemente grande.

Ancho de banda de onda única x número de onda de fibra única=ancho de banda de fibra única.

Como se indica en la tabla anterior, la separación entre canales de QPSK 400G alcanza los 150 GHz. Tanto la banda C tradicional como la banda C extendida son insuficientes para satisfacer la demanda de ancho de banda del espectro.

Por ello, se está adoptando gradualmente el método C6T+L6T, con un ancho de banda espectral total de 12THz. Calcula, con 80 ondas y una sola onda de 400G, la capacidad total de una sola fibra es de 32T. Si sacrificamos algo de distancia y la utilizamos para ahorrar costes, implementar QPSK o 16QAM-PCS puede aumentar aún más la capacidad, llegando a 48T.

Para una introducción detallada a las bandas de frecuencia, puede ver aquí: ¿Cuáles son las bandas de frecuencia para la comunicación óptica?

El mayor problema a la hora de ampliar la banda de frecuencia es si el dispositivo puede soportarla y si el coste es controlable. Los dispositivos aquí mencionados incluyen ITLA, CDM, ICR, EDFA y WSS, que involucran la transmisión y recepción de luz, así como el intercambio y amplificación de caminos ópticos.

Cuando se trata de expansión de banda, también hay un tema involucrado, que es la integración.

La extensión de banda actual es en realidad más bien una simple unión de dos sistemas (C y L). Dos sistemas funcionan de forma independiente, transmiten mediante multiplexación y luego se dividen en el extremo opuesto, y cada uno continúa procesando.

Si hay dos sistemas, el volumen será mayor, el consumo de energía será mayor y el diseño será más complejo. Por lo tanto, la industria necesita estudiar cómo integrar dispositivos y realmente crear un sistema que admita diferentes bandas extendidas al mismo tiempo. Es decir, lograr una verdadera integración.

La comunicación por fibra óptica, además de los módulos y equipos ópticos, también requiere atención a la fibra óptica.

La fibra óptica convencional actual es la fibra óptica G.652D. 400G QPSK también puede transmitir 1500 km en G.652D con amplificación EDFA.

Después de años de verificación, la industria ha identificado la fibra G.654E como la nueva sucesora. Si se utiliza el G.654E de mejor rendimiento, en las mismas condiciones, la distancia de transmisión de 400G QPSK se puede aumentar en más del 30%.

G. El cable de fibra óptica 654E tiene capacidad para producción a gran escala y se implementará en líneas troncales de larga distancia a gran escala. G. Algunas fibras ópticas de baja pérdida de la serie 654 también se han convertido en la opción preferida para transmisiones de larga distancia a través de océanos en sistemas de cables submarinos.

Aparte de la fibra óptica tradicional. La industria también cree que las fibras multinúcleo y las fibras huecas tienen amplias perspectivas de aplicación.

La fibra multinúcleo es un tipo de multiplexación por división espacial, en la que se insertan más núcleos de fibra en una fibra y se utilizan pocos modos para aumentar significativamente la capacidad de la fibra.

Los cables de fibra óptica huecos son aún más impresionantes. Simplemente haga hueco el cable de fibra óptica y reemplace el núcleo de fibra de vidrio con aire.

Se ha demostrado que la fibra hueca ofrece mayor capacidad, menor latencia, menor pérdida de transmisión y una no linealidad ultrabaja, y la industria la considera ampliamente como una de las tecnologías más prometedoras en comunicación óptica.

¿El siguiente paso para 400G, 800G o 1.6T?

Después de la escala comercial oficial de 400G, toda la industria se centrará en el sistema de estándar técnico más allá de 400G.

La industria todavía está debatiendo intensamente si proceder con 800G, 1,2T o 1,6T.

Si desea alcanzar velocidades más altas, debe continuar trabajando en "método de modulación + velocidad en baudios". 130 GBd, o incluso más, 260 GBd, es la dirección inevitable. Una velocidad de transmisión más alta significa que los dispositivos relacionados deben mantenerse al día y formar una cadena industrial madura.

Más allá de 400G, ya no podemos confiar en QPSK. La modulación 16QAM es actualmente una opción ampliamente reconocida en la industria.

También es necesario ampliar aún más la banda de frecuencia. Sobre la base de expandir C y L, considere expandir a banda S, banda U, banda E, etc. Si es C+L+S, entonces es 12T+5T, logrando un ancho de banda de 17 THz.

Con la combinación de múltiples factores, la velocidad de transmisión de una sola fibra en una sola dirección puede superar los 100 Tbps, lo cual está a la vuelta de la esquina.

Dentro del centro de datos, 800G (basado en velocidades de baudios superiores a 100 GBd, 100 G de canal único) están disponibles comercialmente. Canal único 200G, 400G, 800G, es solo cuestión de tiempo. En este sentido, el progreso es más rápido en el extranjero.

Con el continuo aumento de la capacidad, los desafíos tecnológicos que conlleva también aumentan. En otras palabras, el desarrollo de la comunicación óptica depende de dispositivos, chips, procesos y materiales.

Para cumplir con los requisitos de consumo de energía, seguridad, operación y mantenimiento mencionados anteriormente, también se basa en una serie de innovaciones como tecnología, arquitectura, empaque, inteligencia artificial y gemelos digitales. Todavía queda mucho trabajo por hacer en el upstream y downstream de la cadena industrial. El camino por recorrer es todavía largo.