800G und 1,6T Ethernet: Innovationen und Herausforderungen

Der Einsatz von 5G-Netzwerken, KI-Anwendungen und IoT-Technologie hat die Nachfrage nach höherer Bandbreite und Datenraten erhöht. Infolgedessen steigt die Erwartung und das Interesse an 800G-Ethernet und 1,6T-Netzwerken. In diesem Artikel werden die wichtigsten Herausforderungen und Innovationen für 800G-Ethernet- und 1,6T-Netzwerke ausführlich erläutert.

Ethernet Speed Over Time

Herausforderungen bei der Umstellung auf 800G-Ethernet und 1,6T-Netzwerke:

Wie lassen sich Geschwindigkeit und Kapazität von 800G-Ethernet erhöhen?

Bei der aktuellen Implementierung von 800G-Ethernet werden 8 Kanäle mit 100 Gbps pro Kanal verwendet, wodurch sich die PAM4-Geschwindigkeit von 50 Gbps (vorherige Generation) auf 100 Gbps verdoppelt. Der 800G-Transceiver mit 200 Gbps pro Kanal befindet sich in der Entwicklung, was eine große Herausforderung für 800G-Ethernet darstellt.

Switch Silicon SerDes

Schnellere Netzwerk-Switching-Chips sind entscheidend für die Verbesserung der Kanalgeschwindigkeiten bei 800G-Ethernet. Netzwerk-Switching-Chips ermöglichen das Umschalten zwischen Elementen innerhalb des Rechenzentrums mit niedriger Latenz. Um die Erhöhung der Gesamtbandbreite der Switch-Chips zu unterstützen, wurden auch die Geschwindigkeit, die Menge und die Leistung von SerDes erhöht. Die SerDes-Geschwindigkeit ist von 10 Gbit/s auf 112 Gbit/s gestiegen, und die Anzahl der SerDes auf dem Chip hat sich von 64 Kanälen auf 512 Kanäle in der 51,2-Tbps-Generation erhöht. Der Stromverbrauch der SerDes ist zu einem bedeutenden Teil der gesamten Systemleistung geworden. Die Switching-Chips der nächsten Generation werden die Bandbreite noch einmal verdoppeln, da die 102,4T-Switches 512 Kanäle mit 200 Gb/s SerDes haben werden. Diese Silizium-Switches werden 800G und 1,6T auf 224 Gbit/s-Kanälen unterstützen.

Pulse Amplitude Modulation

Die Modulation höherer Ordnung erhöht die Anzahl der Bits pro Symbol oder die Anzahl der Bits pro Einheitsintervall (UI) und bietet einen Kompromiss zwischen Kanalbandbreite und Signalamplitude. Die PAM4-Modulation bietet Abwärtskompatibilität mit früheren Produktgenerationen und ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) im Vergleich zu höheren Modulationsschemata, was einen geringeren Vorwärtsfehlerkorrektur-Overhead (FEC) ermöglicht, der zur Latenz beiträgt. Um PAM4 zu ermöglichen, ist jedoch ein besseres analoges Front-End (AFE) erforderlich, da die analoge Bandbreite begrenzt ist und eine fortschrittliche Entzerrung durch innovative DSP-Schemata implementiert wird.

Derzeit kann die Industrie die Vielseitigkeit von PAM4 in 800G-Ethernet- oder 1,6T-Netzen beibehalten und gleichzeitig alternative Methoden zur Aufrechterhaltung der Datenintegrität bei hoher Geschwindigkeit erforschen. Künftige Generationen der Norm könnten jedoch höhere Modulationsverfahren wie PAM6 oder PAM8 verwenden.

PAM4-Signale haben eine geringere Augenhöhe, was einen geringeren Spielraum für Rauschen und Jitter erfordert

Wie lässt sich die Bitfehlerrate in einem 800G-Ethernet-Netzwerk reduzieren?

Bei den meisten Hochgeschwindigkeits-Datenstandards wird durch das Vorhandensein von Feinabstimmungs-Equalizern in Sendern und Empfängern sichergestellt, dass die über den Kanal übertragenen Signale am anderen Ende interpretiert werden können, indem die Signaldämpfung im Kanal ausgeglichen wird. Da jedoch höhere Geschwindigkeiten die physikalischen Grenzen weiter verschieben, sind ausgefeiltere Methoden erforderlich. Eine solche Lösung ist die Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC).

Bei der Vorwärtsfehlerkorrektur werden redundante Daten übertragen, um den Empfänger bei der Rekonstruktion des Signals mit beschädigten Bits zu unterstützen. FEC-Algorithmen können Daten-Frames aus Zufallsfehlern wiederherstellen, stoßen aber auf Burst-Fehler, wenn ein ganzer Frame verloren geht. Jede FEC-Architektur bietet Kompromisse und Vorteile in Bezug auf Kodierungsgewinn, Overhead, Latenz und Energieeffizienz. In einem 224 Gb/s-System sind komplexere FEC-Algorithmen erforderlich, um Burst-Fehler zu minimieren.

Different FEC Architectures have Varying Tradeoffs

Wie kann die Energieeffizienz in 800G-Ethernet-Netzwerken verbessert werden?

Die größte Herausforderung für 800g- oder 1,6T-Ethernet-Rechenzentren ist der Stromverbrauch. Der Stromverbrauch von optischen Modulen steigt mit jeder Generation an. Je ausgereifter die Designs der optischen Module sind, desto effizienter werden sie, was zu einer Verringerung des Stromverbrauchs pro Bit führt. Aufgrund der durchschnittlich 50.000 optischen Module in jedem Rechenzentrum ist der Gesamtstromverbrauch der Module jedoch immer noch ein Problem. Co-packaged optische Geräte können den Stromverbrauch pro Modul senken, indem die optoelektronische Umwandlung in das Gehäuse integriert wird. Die Anforderungen an die Kühlung bleiben bei diesem Ansatz jedoch eine Herausforderung.

Bei 800G-Ethernet besteht eine Schlüsselinnovation der optischen Geräte im Co-Package darin, die optischen Komponenten nahe genug an den bloßen Chip des Switch-ASICs zu verlagern, um einen zusätzlichen DSP überflüssig zu machen (wie in der Abbildung unten dargestellt).

Plug-fähige und Co-Packaged Optiken

Was ist der Zeitplan für 800G-Ethernet und 1,6T-Netzwerke?

800G-Ethernet steht vor der Tür und baut auf dem von IEEE und OIF für 400G geschaffenen Fundament auf. Der erste 51,2T-Switch-Chip, der 64 Ports mit 800 Gbit/s unterstützt, wurde 2022 auf den Markt gebracht, und die Validierung der ersten Charge von 800G optischen Modulen hat bereits begonnen.

In diesem Jahr werden die Normungsorganisationen die erste Version der IEEE 802.3df- und OIF-Standards für 224 Gbit/s veröffentlichen, die den Entwicklern ein besseres Verständnis für die Entwicklung von 800G- und 1,6T-Systemen mit 112-Gbit/s- und 224-Gbit/s-Kanälen vermitteln. Es wird erwartet, dass die Normungsorganisationen in den nächsten zwei Jahren die Standards für die physikalische Schicht fertigstellen und kurz darauf mit der eigentlichen Entwicklung und Validierung fortfahren werden.

Zeitplan für die Aufrüstung auf 800G und 1,6T GeschwindigkeitenStromverbrauch

800G-Ethernet-Module von FS

Um den aktuellen Entwicklungsperspektiven des High-Performance-Computings gerecht zu werden, bietet FS eine Reihe von 800G-Ethernet-Modulen an. Unsere 800G-Ethernet-Module wurden entwickelt und auf Zuverlässigkeit getestet, um den sich ständig ändernden Anforderungen moderner Netzwerke gerecht zu werden. Das folgende ist das 800G-Ethernet-Modul von FS:

Schlussfolgerungen

Derzeit wird 400G in großem Umfang eingesetzt, und bis zur Datenrate von 800G Ethernet ist es noch ein weiter Weg, während der optimale Weg für 1,6T noch ungewiss ist. Innerhalb weniger Jahre werden zweifellos höhere Kapazitäten, schnellere Geschwindigkeiten und erhebliche Effizienzsteigerungen erforderlich sein. Um für den Ausbau dieser neuen Technologien gerüstet zu sein, ist es notwendig, schon heute mit der Konzeption und Planung zu beginnen. Mit fortschrittlicher Technologie und überlegener Leistung ist FS Ihr zuverlässiger Partner für die nächste Generation von Netzwerklösungen. Rüsten Sie Ihr Netzwerk noch heute mit FS auf 800G auf und bleiben Sie im digitalen Zeitalter an der Spitze.