数据中心内光互联概述

在带宽密集型应用业务、人工智能和高性能计算的驱动下,云计算数据中心的数量和规模持续扩张,数据中心网络对交换容量、连接带宽、集群规模的追求永无止境。

云计算数据中心的流量以东西向为主,也就是说数据业务的传输主要发生在数据中心内部,这就使得网络节点之间存在着大量的高速的物理线路连接。随着连接速度的提高和传输距离的扩大,光纤通信技术在数据中心网络中发挥越来越重要的作用。

一直以来,光模块作为可插拔的独立的光信号收发单元承担着数据业务光电/电光的转换。光模块多源协议(MSA)和电气与电子工程师协会(IEEE)等标准组织定义了种类繁多的光互联类型,以覆盖不同的应用场景。表 1 中为当前数据中心中正在大量部署的光模块类型。标准化的电接口、光接口以及管理接口,保证光模块与设备之间,以及光模块与光模块之间的兼容匹配。

数据中心光模块类型
数据中心光模块类型

光互联技术形态的演进,主要的驱动力来自于网络设备的 Serdes 带宽和交换容量的不断提升。Serdes 是 ASIC 芯片与外界进行数据信号交换的基本单元,光端口的吞吐带宽为 Serdes 带宽的整数倍。比如 100G CAUI4 端口包含了 4 个25G NRZ Serdes,400G AUI8 端口包含了 8 个 56G PAM4 Serdes。网络设备的交换容量提升需要相应增加单端口的连接带宽,以保证端口数量在面板容纳能力以内。Serdes 速率决定了光模块电口的形态和规格,连接距离和端口带宽决定了光模块光口形态和规格。如图 1 所示,网络设备 Serdes 速率从 10G/25G NRZ发展到 56G/112G PAM4,未来还会有 224G PAM4。OIF-CEI 制定了不同速率下的信号完整性规格,以满足物理层链路上模块、线缆与设备之间的连通性和兼容性。

数据中心网络设备Serdes速率发展路径
数据中心网络设备Serdes速率发展路径

可插拔式的光互联需要先将 ASIC 芯片的高速 I/O 连接到面板上,一般采用PCB 高速差分线作为传输介质。高速电信号在 PCB 上传输的过程中受介质损耗和趋肤效应的影响,传输的距离越长,数据速率越高,信号质量劣化现象越严重。一般认为,当 serdes 传输速率发展到 112G 的时候, 虽然通过对传输介质优化和信号完整性的补偿,也能实现 ASIC 芯片到面板的电连接,但是在单芯片交换容量达到 51.2T 及以上的时候,高密度的 ASIC 到面板的电连接将使得 PCB layout 设计变得十分具有挑战性。

以上资料来源:“开放数据中心委员会 ODCC”