Wissen

1.400G, es ist wirklich da

Vor nicht allzu langer Zeit, im März 2024, eröffnete China Mobile die weltweit erste rein optische 400G-Hauptleitung zwischen den Provinzen (Innere Mongolei von Peking), was als wichtiger Meilenstein gilt.

Der Grund für die Aufrüstung des Backbone-Netzwerks auf 400G liegt auf der Hand.

Einerseits hält das Wachstum des Internetverkehrs der Verbraucher, das durch das digitale Leben der Bewohner (hochauflösende Videos, Telefonkonferenzen, Online-Live-Übertragungen, Online-Spiele usw.) verursacht wird, immer noch an.

Andererseits treibt die gesamte Branche die digitale Transformation voran, und der starke Anstieg des Datenverkehrs durch digitale Industriesysteme hat den Druck auf die Backbone-Netzwerke erhöht.

Der plötzliche Anstieg des Drucks auf das Backbone-Netzwerk hat auch einen wesentlichen Grund: die Explosion der KI.

Nach dem Aufstieg des großen AIGC-Modells löste es eine KI-Welle aus. Um den Anforderungen des KI-Geschäfts gerecht zu werden, ist der Aufbau einer großen Anzahl intelligenter Rechenzentren erforderlich. Das Modell hat sich von Milliarden Parametern zu Billionen Parametern entwickelt, und auch der GPU-Rechenleistungscluster hat sich von einem Tausend-Karten-Cluster zu einem Zehntausend-Karten-Cluster oder sogar Hunderttausend-Karten-Cluster entwickelt.

Ein GPU-Rechenleistungscluster ist eigentlich eine Reihe riesiger GPU-Karten (GPU-Server), die über Hochleistungsnetzwerke wie InfiniBand und RoCEv2 miteinander verbunden sind. Es werden extrem hohe Anforderungen an die Netzwerkleistung und -zuverlässigkeit gestellt, was sich direkt auf die Trainingseffizienz und -kosten auswirkt.

Allein in Bezug auf die Netzwerk-Port-Geschwindigkeit von GPU-Servern wurde bereits mit einem einzelnen Port von 400 G begonnen, und es sind sogar 800 G oder mehr erforderlich.

Netzwerkports von GPU-Servern

Zuvor gehörten GPU-Rechenleistungscluster zur Kategorie DCN (Data Center Network). Mit der kontinuierlichen Erweiterung der Clustergröße haben wir nun begonnen, über den Einsatz verteilter intelligenter Rechenzentren für das Modelltraining nachzudenken.

Das heißt, mehrere intelligente Rechenzentren an verschiedenen Standorten werden gemeinsam für die Ausbildung genutzt.

Dies stellt höhere Anforderungen an das DCI (Data Center Interconnection Network) und das optische Kommunikations-Backbone-Netzwerk muss diesen Anforderungen hinsichtlich der technischen Leistung gerecht werden.

Die Strategie unseres Landes in Bezug auf Rechenleistung basiert immer noch auf der Idee der „nationalen Koordination und Gesamtgestaltung“. Ab Februar 2022 hat China das East West Computing Project gestartet, um ein landesweites integriertes Rechenleistungssystem zu schaffen.

Einfach ausgedrückt müssen wir einerseits eine große Anzahl von Rechenzentren (entspricht Kraftwerken) bauen und andererseits auch ein robustes Backbone-Übertragungsnetz (entspricht einem Stromnetz) für die Verteilung aufbauen diese Rechenleistung und erfüllen die Anforderungen verschiedener Branchen.

Wie wurde 400G erreicht?

Das aktuelle Backbone-Netzwerk für die optische Kommunikation als Grundlage der gesamten digitalen Gesellschaft muss mehrere Merkmale aufweisen, wie z. B. eine extrem große Bandbreite (400 G, zukünftige 800 G oder sogar 1,6 T), eine extrem niedrige Latenz (Latenzkreis mit mehreren Ebenen) und eine extrem große Latenz Skalierungsnetzwerke (die bereits erwähnte verteilte Computer- und KI-Cluster bedienen), ultrahohe Stabilität, ultrahohe Zuverlässigkeit, ultrahohe Sicherheit, ultraflexible Bereitstellung, intelligente Betriebs- und Wartungssteuerung usw.

Heute werden wir hauptsächlich über die wichtigste Geschwindigkeitsbandbreite sprechen.

Die Entwicklung der optischen Kommunikationstechnologie bis heute konzentriert sich zur Erzielung einer Geschwindigkeitsverbesserung lediglich auf die folgenden Aspekte:

Da ist zum einen die Baudrate.

Die Übertragungsrate, auch Bitrate genannt, ist die Anzahl der pro Zeiteinheit übertragenen Bits, gemessen in Bits pro Sekunde.

Bitrate=Baudrate multipliziert mit der Anzahl der Binärbits, die einem einzelnen Modulationszustand entsprechen.

Die Baudrate ist die Anzahl der pro Zeiteinheit übertragenen Symbole. Je höher die Baudrate, desto mehr Symbole werden pro Sekunde übertragen und desto größer ist natürlich auch die Informationsmenge, was zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit führt.

Die Baudrate wird durch die Leistungsfähigkeit des optischen Geräts bestimmt. Je fortschrittlicher der Chipprozess des Geräts ist, desto höher ist die Baudrate und desto höher ist die Bitrate.

Derzeit ist der CMOS-Prozess von 16 nm auf 7 nm und 5 nm gestiegen, und die Baudrate ist schrittweise von 30+GBaud auf 64+GBaud, 90+GBaud und 128+ gestiegen. GBaud.

Der aktuelle 400G ist dank seiner Baudrate von 128 GBaud im Handel erhältlich.

Werfen wir noch einmal einen Blick auf die Modulationsmethode.

Die „Binärziffern, die einem einzelnen Modulationszustand entsprechen“ in der Formel werden gerade durch die Modulationsmethode bestimmt.

Zu den Modulationsschemata der 400G-Technologie gehören derzeit hauptsächlich 16QAM, 16QAM-PCS (PCS ist eine Wahrscheinlichkeitsformungstechnologie, die beim nächsten Mal ausführlich vorgestellt wird) und QPSK, die für verschiedene Anwendungsszenarien geeignet sind.

Die optische Kommunikation unterscheidet sich von der drahtlosen Kommunikation dadurch, dass sie nicht blind eine Modulation höherer Ordnung anstrebt.

Je niedriger die Modulationsordnung, desto geringer sind die Anforderungen an die Leitung und desto geringer sind die Kosten für den Netzwerkaufbau. Daher lag der Fokus in der frühen Entwurfsphase von Fern-Backbone-Netzwerken im Wesentlichen auf 16QAM und QPSK. Später schloss sich auch 16QAM-PCS dem Wettbewerb an.

Zuvor wurde die „Ost-West-Berechnung“ nicht erwähnt, und die Betreiber glaubten, dass 400G keine Übertragung über große Entfernungen erfordern würde. Daher ist der Einsatz von Geräten mit niedriger Baudrate, ausgereifterer Technologie und niedrigeren Preisen in Kombination mit 16QAM mit höherer Modulationsordnung die vorherrschende Meinung in der Branche.

Später stieg diese einerseits aufgrund der steigenden Anforderungen an die Übertragungsentfernung von über 1000 km auf mehrere tausend km. Auf der anderen Seite reiften Geräte mit einer Baudrate von 128 GBaud schnell heran (im DCN-Szenario stieg 800 G schnell an, was die Industriekette stimulierte und förderte) und schufen die Voraussetzungen dafür, dass sich QPSK von anderen abhebt.

QPSK weist eine höhere Nichtlinearitätstoleranz auf und kann die Eingangsleistung im Vergleich zu 16QAM-PCS entsprechend erhöhen. Zweitens ist der Back-to-Back-OSNR-Schwellenwert von QPSK im Vergleich zu 16QAM-PCS optimiert. Darüber hinaus stellt die Einstellung des Kanalabstands von QPSK auf 150 GHz sicher, dass bei der Übertragung nahezu keine Filterkosten anfallen.

Diese Vorteile haben QPSK nach und nach zur bevorzugten Wahl der Branche für Backbone-Netzwerke und DCI gemacht.

Ein grober Vergleich von drei Optionen

Heutzutage werden die ersten beiden Optionen häufiger für städtische oder provinzielle Anwendungen in Betracht gezogen.

Drittens geht es darum, das Frequenzband zu erweitern.

Die Baudrate und Modulation beeinflussen hauptsächlich die Einzelwellenrate. Ein Glasfaserkabel kann mehrere Wellen haben, sofern der Spektralbereich groß genug ist.

Einzelwellenbandbreite x Einzelfaserwellenzahl=Einzelfaserbandbreite.

Wie in der vorherigen Tabelle angegeben, erreicht der Kanalabstand von QPSK 400G 150 GHz. Sowohl das traditionelle C-Band als auch das erweiterte C-Band reichen nicht aus, um den Bedarf an Spektrumsbandbreite zu decken.

Daher wird nach und nach die C6T+L6T-Methode mit einer Gesamtbandbreite des Spektrums von 12 THz übernommen. Berechnen Sie, dass bei 80 Wellen und einer einzelnen Welle von 400 G die Gesamtkapazität einer einzelnen Faser 32 T beträgt. Wenn wir etwas Distanz opfern und diese nutzen, um Kosten zu sparen, kann der Einsatz von QPSK oder 16QAM-PCS die Kapazität noch weiter steigern und 48T erreichen.

Eine ausführliche Einführung in die Frequenzbänder finden Sie hier: Welche Frequenzbänder gibt es für die optische Kommunikation?

Das größte Problem bei der Erweiterung des Frequenzbandes besteht darin, ob das Gerät dies unterstützen kann und ob die Kosten kontrollierbar sind. Zu den hier genannten Geräten gehören ITLA, CDM, ICR, EDFA und WSS, bei denen es um das Senden und Empfangen von Licht sowie den Austausch und die Verstärkung optischer Pfade geht.

Wenn es um die Banderweiterung geht, gibt es auch ein Problem, nämlich die Integration.

Die aktuelle Banderweiterung ähnelt eigentlich eher einer einfachen Bindung zweier Systeme (C und L). Zwei Systeme arbeiten unabhängig voneinander, übertragen über Multiplexing und teilen sich dann am anderen Ende auf, wobei jedes System die Verarbeitung fortsetzt.

Bei zwei Systemen wird das Volumen größer, der Stromverbrauch höher und das Design komplexer. Daher muss die Branche untersuchen, wie man Geräte integriert und wirklich ein System schafft, das verschiedene erweiterte Bänder gleichzeitig unterstützt. Das heißt, eine echte Integration zu erreichen.

Bei der Glasfaserkommunikation muss neben optischen Modulen und Geräten auch auf Glasfaser geachtet werden.

Die aktuelle Mainstream-Glasfaser ist die G.652D-Glasfaser. 400G QPSK kann auch 1500 km auf G.652D mit EDFA-Verstärkung übertragen.

Nach Jahren der Verifizierung hat die Branche G.654E-Glasfaser als neuen Nachfolger identifiziert. Bei Verwendung des leistungsstärkeren G.654E kann unter gleichen Bedingungen die Übertragungsentfernung von 400G QPSK um mehr als 30 % erhöht werden.

G. Das Glasfaserkabel 654E ist für die Massenproduktion geeignet und wird in großem Maßstab auf Fernleitungen eingesetzt. G. Einige verlustarme Glasfasern der Serie 654 sind auch zur bevorzugten Wahl für die Fernübertragung über Ozeane in Unterseekabelsystemen geworden.

Abgesehen von der herkömmlichen Glasfaser. Die Industrie geht außerdem davon aus, dass Mehrkernfasern und Hohlfasern breite Anwendungsaussichten haben.

Bei Multicore-Fasern handelt es sich um eine Art räumliches Multiplexen, bei dem mehr Faserkerne in eine Faser eingefügt werden und nur wenige Moden verwendet werden, um die Kapazität der Faser deutlich zu erhöhen.

Noch beeindruckender sind Hohlfaserkabel. Machen Sie einfach das Glasfaserkabel hohl und ersetzen Sie den Glasfaserkern durch Luft.

Hohlfasern bringen nachweislich eine größere Kapazität, geringere Latenz, geringere Übertragungsverluste und eine extrem niedrige Nichtlinearität und werden von der Branche weithin als eine der vielversprechendsten Technologien in der optischen Kommunikation angesehen.

Nächster Schritt für 400G, 800G oder 1,6T?

Nach dem offiziellen kommerziellen Maßstab von 400G wird sich die gesamte Branche auf das technische Standardsystem über 400G hinaus konzentrieren.

Die Branche debattiert immer noch intensiv darüber, ob es mit 800G, 1,2T oder 1,6T weitergehen soll.

Wenn Sie höhere Geschwindigkeiten erreichen möchten, müssen Sie weiter an „Modulationsverfahren + Baudrate“ arbeiten. 130 GBd oder sogar noch höher bei 260 GBd ist die unvermeidliche Richtung. Eine höhere Baudrate bedeutet, dass verwandte Geräte mithalten und eine ausgereifte Industriekette bilden müssen.

Über 400G hinaus können wir uns nicht mehr auf QPSK verlassen. Die 16QAM-Modulation ist derzeit eine weithin anerkannte Option in der Branche.

Auch das Frequenzband muss weiter ausgebaut werden. Erwägen Sie auf der Grundlage der Erweiterung von C und L eine Erweiterung auf S-Band, U-Band, E-Band usw. Wenn es C+L+S ist, dann ist es 12T+5T, wodurch eine Bandbreite von erreicht wird 17 THz.

Durch die Kombination mehrerer Faktoren kann die Übertragungsrate einer einzelnen Glasfaser in eine Richtung 100 Tbit/s überschreiten, was unmittelbar bevorsteht.

Im Rechenzentrum ist 800G (basierend auf Baudraten über 100 GBd, Einzelkanal 100 G) kommerziell verfügbar. Einkanal 200G, 400G, 800G, es ist nur eine Frage der Zeit. In dieser Hinsicht sind die Fortschritte im Ausland schneller.

Mit der kontinuierlichen Kapazitätssteigerung nehmen auch die damit verbundenen technologischen Herausforderungen zu. Mit anderen Worten: Die Entwicklung der optischen Kommunikation hängt von Geräten, Chips, Prozessen und Materialien ab.

Um die oben genannten Anforderungen an Stromverbrauch, Sicherheit, Betrieb und Wartung zu erfüllen, setzt es außerdem auf eine Reihe von Innovationen wie Technologie, Architektur, Verpackung, künstliche Intelligenz und digitale Zwillinge. Im vor- und nachgelagerten Bereich der Industriekette gibt es noch viel zu tun. Der Weg vor uns ist noch lang.