tuntemus

Valinta optisen ja sähköisen yhteenliittämisen välillä ei tarkoita yhden tekniikan julistamista nopeammaksi tai edistyneemmäksi. Hyödyllinen suunnittelukysymys on, missä kukin media mahtuu vaaditun kaistanleveyden, kattavuuden, tehon, tiheyden, latenssin ja elinkaarikustannusten sisällä.

Sähköyhteydet ovat erittäin tehokkaita lyhyellä matkalla. Itse asiassa nykyinen OIF työskentelee224 Gb/s-luokan sähköliitännätkohdistaa siru--moduuliin, siru--siruun ja taustalevy/kupari-kaapelisovelluksiin. Optisista linkeistä tulee houkuttelevampia, kun ulottuvuus, kokonaiskaistanleveys ja kaapelointitiheys kasvavat, varsinkin kun sähköhäviö ja taajuuskorjaus alkavat kuluttaa enemmän tehoa ja suunnittelumarginaalia.

Tässä oppaassa verrataan näitä kahta täydellisellä-linkkitasolla ja annetaan käytännön risteysesimerkkejä sen sijaan, että luotaisiin yhteen yleiseen etäisyyteen.

Optinen vs sähköinen liitäntä yhdellä silmäyksellä

Mikä on sähköinen liitäntä?

Sähköinen liitäntä siirtää dataa johtavan kanavan, kuten piirilevyjäljen, liittimen, taustalevyn tai kuparikaapelin, kautta. Lähetin laukaisee sähköisen signaalin ja vastaanotin rekonstruoi tiedot sen jälkeen, kun signaali on kulkenut kanavan läpi.

Sähköinen signalointi on kypsää ja kykenee erittäin korkeaan suorituskykyyn. Haasteena on, että kanava ei ole yhtä helppokäyttöinen kaistanopeuden ja etäisyyden kasvaessa. Vaimennus, impedanssin epäjatkuvuudet, heijastukset, ylikuuluminen ja kohina voivat vaatia vahvempaa lähettimen taajuuskorjausta, vastaanottimen taajuuskorjausta, eteenpäin suuntautuvaa virheenkorjausta, uudelleenasennusta tai parempia materiaaleja.

OIF:n CEI-224G-työ tekee asian selväksi: sähkö ei ole synonyymi hitaalle nopeudelle. CEI-224G-MR-projekti kohdistaa 144–232 Gb/s signaalin jopa 500 mm piirilevylle ja yhdelle liittimelle, kun taas CEI-224G-LR kohdistaa samaan signaalialueeseen jopa 1000 mm:n taustalevyn ja jopa kahden liittimen välillä. Nämä ovat tarkoituksellisesti lyhyitä fyysisiä kanavia, mutta erittäin korkeat kaistanopeudet.

Perinteisessä verkkokaapeloinnissa kupari on edelleen hyödyllinen, jos asennettu liitäntä ja etäisyys sopivat sen spesifikaatioihin. HengtonginCat 6 patch -kaapelivalikoimaon yksi esimerkki laajemmasta kupariekosysteemistä, jota käytetään lyhyen-Ethernet-yhteyteen.

Mikä on optinen liitäntä?

Optinen liitäntä kuljettaa moduloitua valoa kuidun tai fotonisen aaltoputken läpi. Käytännöllinen linkki sisältää tavallisesti sähköisen liitännän, optisen lähettimen tai modulaattorin, optisen kanavan, valoilmaisimen ja vastaanottimen elektroniikan:

Sähkötiedot → optinen lähetin → optinen kanava → optinen vastaanotin → sähkötiedot

Tuo muunnosketju on tärkeä. Itse kuidun häviö on pieni ja se on immuuni EMI:lle, mutta täydellinen optinen linkki kuluttaa silti virtaa ja lisää toteutuksen monimutkaisuutta. Oikea vertailu ei siis ole kuparikaapeli vs. paljas kuitu; se on yksi täydellinen lähetin-kanava-vastaanotinarkkitehtuuri verrattuna toiseen.

Myös toteutus muuttuu etäisyyden myötä.Monimuotokuitukäytetään laajalti lyhyen{0}}kattavuuden optisissa linkeissäyksimuotokuitu-tukee pitemmän{0}}kattavuuden ja suuren{1}}kapasiteetin arkkitehtuuria. Laitetasolla optiset linkit riippuvat komponenteista, kutennopeat{0}}optiset lähetin-vastaanottimet ja optiset komponentit.

Kuusi eroa, joilla on merkitystä todellisessa järjestelmäsuunnittelussa

1. Kaistanleveys ja kattavuus on arvioitava yhdessä

Kaistanleveys ei yksin ratkaise mediaa. Erittäin nopea-sähkökaista voi toimia hyvin tiukasti kontrolloidulla lyhyellä kanavalla, kun taas optiikka voi ylläpitää suurta kaistanleveyttä paljon pitemmillä etäisyyksillä.

Kaksi standardiperhettä kuvaa mittakaavaeroa. OIF CEI-224G sähköprojektit käsittelevät 144–232 Gb/s signalointia ali-mittarikortin/taustalevyn kanavien kautta. Optisella puolella IEEE P802.3bs 400 GbE -peruslinjat sisältävät 400 GBASE-DR4:n vähintään 500 metrille yksi-kuitua, 2 km:n yksi-mode-kuituobjektiivi ja 10 km:n yksimode{{{18}.0}objektiivi. Nämä eivät ole suoria yksi-korvauksia, mutta ne osoittavat, miksi yleinen "risteysetäisyys" on harhaanjohtava: vastaus riippuu käyttöliittymän sukupolvesta ja linkkiluokasta.

TheIEEE P802.3bs -perustason yhteenvetoon hyödyllinen, kun suunnittelutiimin on yhdistettävä datanopeustavoite-todelliseen tavoittavuusluokkaan sen sijaan, että käyttäisivät epämääräisiä ilmauksia, kuten "suuri nopeus" tai "pitkä matka".

2. Signaalin eheydestä tulee erilainen ongelma

Sähköisten linkkien on hallittava liitoshäviö, paluuhäviö, heijastukset, ylikuuluminen ja EMI. Nopeat{1}}kanavat ovat usein riippuvaisia ​​tarkasta impedanssisäädöstä, liittimen suunnittelusta, SerDes-taajuuskorjauksesta ja kanavasimulaatiosta.

Kuitu poistaa useita sähkö{0}}kanava-ongelmia. Se ei johda sähkövirtaa eikä ole altis EMI:lle samalla tavalla kuin kupari. Tämä voi olla ratkaisevaa sähköisesti meluisissa ympäristöissä tai kun monien-nopeiden kanavien täytyy kulkea suljetun tilan läpi.

Optiikka ei poista suunnittelun monimutkaisuutta; se muuttaa monimutkaisuutta. Optisten suunnittelijoiden tulee hallita laserin tai lähteen integrointia, kytkentähäviöitä, liittimen puhtautta, kohdistusta, valontunnistusta, lämpökäyttäytymistä ja optista pakkausta.

3. Powerilla on jako, ei universaali voittaja

Lyhyt sähkölinkki voi olla erittäin tehokas{0}}, koska se välttää optisen muunnoksen. Sähkökanavan kovettuessa saattaa kuitenkin tarvita enemmän taajuuskorjausta, uudelleenohjausta tai aktiivista kaapelielektroniikkaa. Optiset linkit tuovat oman laser-, modulaattori- ja vastaanotintehonsa.

Tästä syystä energia bittiä kohden on hyödyllisempää kuin kysyä, kuluttaako kuitu vähemmän tehoa.OIF:n järjestelmä{0}}toimittajavaatimukset{1} energiatehokkaille liitäntöilleanna hyödyllisiä teknisiä tavoitteita yleisen väitteen sijaan: yksi etu-optinen-yhdyskytkentätapaus vaatii alle 10 pJ/bit optiselle moottorille ja laserille, kun taas takapään-yhdyskytkentätapaus tavoittelee selvästi alle 4 pJ/bit. Nämä ovat suunnitteluvaatimuksia ja tavoitteita, ei taattuja mittauksia jokaiselle optiselle tuotteelle.

Sama OIF-dokumentti erottelee myös käyttöönoton asteikot: etu-tietokeskuksen-yhdysyhteydet voivat ulottua noin 0–500 m ja joskus jopa 2 km; taka-kiihdyttimen keskinäiset liitännät voivat ulottua noin 300 metriin; ja paikalliset laskentaliitännät on kuvattu alueella 7–10 m. Tämä on käytännöllisempi tapa ajatella crossoveria kuin yhden maagisen etäisyyden etsiminen.

4. Latenssi riippuu koko linkistä

Optista ei pitäisi automaattisesti pitää-viiveen alemmana vaihtoehtona. Levitys on vain osa viivettä päästä-päähän-. Optinen linkki voi sisältää modulaation, sähköisen -optisen-muunnoksen, valontunnistuksen, FEC:n ja vastaanottimen käsittelyn. Sähköinen linkki voi sisältää sarjoituksen, taajuuskorjauksen, FEC:n ja ajastimet.

Jos latenssi on suunnittelun rajoitus, vertaa koko polkua lähettimestä vastaanottimeen, mukaan lukien jokainen ajastin-, DSP- ja FEC-aste. Lyhyempi fyysinen polku raskaammalla prosessoinnilla voi hävitä pidemmälle tielle, jolla on yksinkertaisempi tietopolku.

5. Tiheydestä, kaapelin määrästä ja ilmavirrasta tulee järjestelmän rajoituksia

Mittakaavassa kysymys ei ole vain siitä, kuinka monta gigabittiä yksi linkki kuljettaa. Se kertoo, kuinka paljon kaistanleveyttä voi kulkea etulevyn, kaapelihyllyn, telineen tai kytkinpaketin läpi ilman, että se estää ilmavirtausta tai kuluttaa liikaa reititystilaa.

Kuitu voi kuljettaa suurta kaistanleveyttä suhteellisen pienellä kaapelin poikki{0}}leveydellä. Rinnakkais-optiset arkkitehtuurit käyttävät myös monikuituyhteyttä, kutenMPO/MTP tuotteet, jotka ovat yleisiä suuren -tiheyden data-keskuskaapeloinnissa.

6. Kustannukset muuttuvat, kun siirryt komponentin hinnasta elinkaarikustannuksiin

Sähköliitännät voittaa usein alkukomponenttikustannuksilla lyhyellä matkalla. Optiset linkit lisäävät lähetin-vastaanottimia, optisia liitäntöjä ja kuitu{1}}hallintavaatimuksia. Tämä ei tarkoita, että optiikalla on automaattisesti alhaisemmat kokonaiskustannukset mittakaavassa.

Hyödyllinen TCO-vertailu sisältää:

• kaapelin, liittimen ja lähetin-vastaanottimen kustannukset;
• ajastin, AEC tai signaalin{0}}käsittelyelektroniikka;
• kytkin ja NIC-portti teho;
• linkkielektroniikkaan liittyvä jäähdytys;
• porttitiheys ja etulevyn rajoitukset;
• asennus- ja huoltotyöt;
• päivitysjaksot ja tukeeko asennettu tietoväline tulevia liitäntöjä.

Sen sijaan, että olettaisi, että yhdellä välineellä on pienempi TCO, rakenna vertailu todellisen porttien määrän, kattavuuden ja odotetun päivityshorisontin ympärille.

Kun sähköliitäntä on yleensä parempi valinta

Sähköliitännät ovat yleensä suositeltavia, kun kanava on fyysisesti lyhyt ja valitulla sähköliitännällä on mukava signaali{0}}eheysmarginaali.

• Pakkauksen, laudan tai alustan sisällä:sähköiset linkit välttävät tarpeettoman optisen muunnoksen ja käyttävät kypsää suunnitteluekosysteemiä.
• Lyhyt kaapeli kulkee vakiintuneen kuparistandardin mukaisesti:kupari voi olla yksinkertainen, edullinen ja helppo huoltaa.
• Virran tulee kulkea liitännän mukana:sähköä johtavaa infrastruktuuria tarvitaan edelleen. Jos projekti tarvitsee sekä optista dataa että tehoa yhdessä kaapelirakenteessa, avalosähköinen komposiittikaapelivoi yhdistää kuitu- ja sähköjohtimia, mutta optiset kuidut eivät itse kulje sähköä.
• Tarvittava kaistanleveys on mukavasti sähkökanavarajan alapuolella:Optiikan lisääminen ei luo arvoa, jos olemassa oleva sähköinen linkki täyttää jo kattavuus-, teho- ja tiheystavoitteet.

Kun optisesta yhteenliitännästä tulee vahvempi valinta

Optiikan tapaus vahvistuu, kun useita rajoituksia esiintyy samanaikaisesti, sen sijaan, että yksi luku ylittää kiinteän kynnyksen.

• Kattavuus on siirtymässä laudan/rungon mittakaavasta kohti teline-, rivi- tai datakeskus{0}}mittakaavaa.
• Kokonaiskaistanleveys kasvaa nopeammin kuin käytettävissä oleva sähkökanavamarginaali.
• Uudelleenajoitus, tasaus tai aktiivinen kuparielektroniikka kuluttavat liian suuren osan tehobudjetista.
• EMI-, ylikuulumis- tai maadoitusrajoituksia on vaikea hallita.
• Porttitiheydestä, kaapelin tilavuudesta tai ilmavirrasta on tullut fyysinen suunnitteluraja.
• Kaapelointilaitoksen odotetaan tukevan useita tulevien sukupolvien{0}}nopeita liitäntöjä.

Nämä olosuhteet ovat yleisiä korkean{0}}tiheyden laskennassa jatietokeskus{0}}yhteys, jossa sama järjestelmä voi käyttää sähköisiä linkkejä palvelimissa ja optisia linkkejä telineiden tai kytkentäkerrosten välillä.

Crossover Point: Käytä kattavuus-kaistanleveys-tehomatriisia

Ei ole olemassa yleistä etäisyyttä, jossa kupari pysähtyy ja optiikka alkaa. Parempi tapa on luokitella kytkentä fyysisen mittakaavan mukaan ja sitten testata, onko sähköisessä toteutuksessa vielä marginaalia.

Erityisesti tekoälyn/HPC:n osalta OIF:n energia{0}}tehokas-käyttöliittymävaatimukset sijoittavat etu-tausta-pään ja paikalliset laskentalinkit eri kattavuus- ja teholuokkiin. Hengtongin opaskupari vs. kuitu tekoälyn palvelinkeskuksissavoidaan käyttää jatko-lukemiseen, kun päätös on sidottu tekoälyklusteriarkkitehtuuriin yleisen verkottumisen sijaan.

Optiset ja sähköiset liitännät toimivat yleensä yhdessä

Monet nykyaikaiset järjestelmät ovat suunnittelultaan hybridejä. Sähköinen signalointi pysyy tehokkaana prosessorien, muistin, kytkimien ASIC:ien ja muun elektroniikan lähellä. Linkki siirtyy optiikkaan, jossa etäisyys, kaistanleveyden tiheys tai signaalin eheyspaine oikeuttaa muuntamisen.

Myös siirtymäkohta liikkuu. OIF:n ko-pakkaustyö määrittelee 3,2 Tb/s ko-pakatun moduulin Ethernet-kytkentäsovelluksille ja tavoittelee noin 140 Gb/s reunakaistanleveyden millimetriä kohden. Laajempi alan suunta on lyhentää ASIC:n ja optisen moottorin välisen nopean{6}}sähkötien pituutta sen sijaan, että sähköinen signalointi poistettaisiin kokonaan.

TheOIF 3.2T co-packaging-toteutussopimuson hyödyllinen viite ymmärtääksesi, miksi "optinen vs. sähkö" on yhä useammin arkkitehtoninen sijoituskysymys.

Yleisiä väärinkäsityksiä

"Optinen on aina nopeampi."

Ei. Optisella on suuria kaistanleveyden ja kattavuuden etuja, mutta suorituskyky -päähän- riippuu myös lähettimestä, vastaanottimesta, DSP:stä, FEC:stä ja protokollasta. Lyhyt sähköliitäntä voi täyttää saman sovellusvaatimuksen vähemmällä muunnosvaiheella.

"Optinen käyttää aina vähemmän virtaa."

Ei. Lyhyt sähköyhteys voi olla erittäin tehokas. Optisesta tulee houkuttelevampaa, kun koko sähköinen toteutus vaatii huomattavaa taajuuskorjausta, uudelleensäätöä tai aktiivista kaapelielektroniikkaa. Vertaa pJ/bittiä saadaksesi täydellisen linkin.

"Kupari on vanhentunut."

Ei. OIF määrittelee aktiivisesti 224 Gb/s-luokan sähköliittymiä seuraavan -sukupolven järjestelmille. Sähköiset linkit ovat edelleen välttämättömiä lähellä laskentaa ja laitteiden sisällä.

"Optinen liitäntä tarkoittaa vain kuitua."

Ei. Optinen linkki sisältää sähkö-optisia komponentteja, pakkauksia ja elektroniikkaa. Kuitu saattaa olla kanavan pienin{3}}häviö, mutta se ei ole koko järjestelmä.

Usein kysytyt kysymykset

Millä etäisyydellä sähköinen liitäntä tulisi korvata optisella?

Ei ole olemassa universaalia etäisyyttä. Erittäin suurilla kaistanopeuksilla sähköstandardit voidaan optimoida ali-metrilevy- ja taustakanaville, kun taas optiset Ethernet-standardit tukevat satoja metrejä tai kilometrejä. Päätöksessä tulisi yhdistää kattavuus, kaistanopeus, kokonaiskaistanleveys, teho, tiheys ja hinta.

Onko optinen liitäntä parempi tekoälyn palvelinkeskuksille?

Se on usein tärkeä skaalaus-vähennys- ja korkeatiheyksisille-linkeille, mutta sähköiset linkit hallitsevat silti monia lyhyitä liitäntöjä lähellä kiihdytintä ja kytkinpiitä. OIF:n nykyiset vaatimukset käsittelevät etupään-, takapään{- ja paikallisen laskennan keskinäisiä yhteyksiä erillisinä suunnittelutiloina.

Vähentääkö optinen liitäntä latenssia?

Ei automaattisesti. Optinen eteneminen on vain osa latenssia. Muunnolla, DSP:llä ja FEC:llä voi olla yhtä paljon merkitystä kuin välineellä. Vertaa koko datapolkua.

Kuljettaako optinen liitäntä sähkövirtaa?

Optinen kuitu ei. Erillinen johdin tarvitaan. Hybridi- tai valosähköinen komposiittikaapeli voi sijoittaa optisia kuituja ja sähköjohtimia samaan kaapelirakenteeseen, kun tarvitaan sekä dataa että tehoa.

Mikä on hyödyllisin mittari tehon vertailuun?

Käytä täydellistä-linkin energiaa bittiä kohden sekä portin kokonaistehoa ja jäähdytystehoa. Pelkästään komponenttiteho voi piilottaa retimereiden, DSP:n, lasereiden tai aktiivisen kaapelielektroniikan kustannukset muualla tiellä.

Korvaako{0}}pakattu optiikka kytkettävän optiikan ja sähköliitännät?

Ei yleisenä korvaavana. Co-pakattu optiikka on yksi arkkitehtuuri optisen moottorin tuomiseksi lähemmäksi kytkentä- tai laskentapiitä. Kytkettävä optiikka, aktiiviset sähkökaapelit, passiiviset kupari- ja kortti{3}}tason sähköliitännät sopivat jatkossakin erilaisiin ulottuvuuksiin, huollettavuus-, hinta- ja tehovaatimuksiin.

Viimeinen takeaway

Sähköinen yhteenliittäminen on vahvin siellä, missä fyysinen kanava on lyhyt, liitännällä on riittävä signaalin eheysmarginaali ja yksinkertaisuus tai alhainen alkukustannus ratkaisee. Optisesta yhteenliittämisestä tulee houkuttelevampi, kun kattavuus, kokonaiskaistanleveys, EMI-immuniteetti ja kaistanleveyden tiheys työntää sähkökanavaa kohti raskaampaa taajuuskorjausta, uudelleenohjausta tai aktiivista{2}}kaapelitehoa.

Crossover ei siis ole kiinteä määrä metrejä. Se on kohta, jossa koko sähköinen linkki ei enää täytä vaadittua kaistanleveyttä, kattavuutta, tehoa, tiheyttä, latenssia ja elinkaari-kustannusten rajaa mukavalla marginaalilla.

Määrittele ensin nämä rajoitukset. Vertaile sitten täydellisiä sähköisiä ja optisia arkkitehtuureja samalla tiedonsiirtonopeudella ja ulottuvuudella. Monissa -suorituskykyisissä järjestelmissä paras suunnittelu ei ole optinen tai sähköinen erillään; se on tarkoituksellinen siirtyminen piin lähellä olevasta sähköisestä signaloinnista optiseen signalointiin, jossa etäisyys ja kaistanleveyden tiheys oikeuttavat sen.