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400G光モジュールのテストにおける課題と機会

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Charlene

翻訳者 ともや
2019年12月22日 に投稿された
2020-08-09 07:31:14
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より高い帯域幅要件と高速化により、大規模なデータセンター相互接続における400Gイーサネットおよび光モジュールの需要が高まっています。複数のネットワーク機器メーカー、クラウドサービスプロバイダー、および光モジュールベンダーが、急速かつ猛烈に400G市場に競争しています。そして、今後数年間で帯域幅の需要を満たすために、膨大な量の新製品が市場に投入されます。しかし、認定された製品、特に主要な相互接続コンポーネントである光モジュールを保証する方法は簡単ではありません。この記事では、400G光モジュールの課題と、400G光モジュールテストの主要プロジェクトに焦点を当てます

400G光モジュールテストにおける課題

200Gと400Gの両方のイーサネットはいくつかの新しい光モジュールタイプをもたらし、IEEEとMSA(マルチソースアグリーメント)グループは特定のフォームファクターを定義しました: QSFP-DD、OSFP、およびCFP8。そのモジュールの電気的インターフェースは、チャネルあたり28Gb/sの16チャンネルのNRZ(非ゼロ復帰)変調を使用したり、またはPAM4(4レベルパルス振幅)変調チャネルの56Gb/sの新しい4または8チャンネルのいずれかを使用します。

物理媒体依存 ホスト電気I/F モード 芯数 到達範囲 エンコード方法
400GBASE-SR16 16x 25Gb/s シングルモード 16 100メートル NRZ
400GBASE-DR4 8x 50Gb/s シングルモード 4 500メートル PAM4
400GBASE-FR8 8x 50Gb/s
16x 25Gb/s
シングルモード 8 WDM 2キロメートル PAM4
400GBASE-LR8 8x 50Gb/s
16x 25Gb/s
シングルモード 8 WDM 10キロメートル PAM4
200GBASE-DR4 8x 50Gb/s シングルモード 4 500メートル PAM4
200GBASE-FR4 8x 50Gb/s シングルモード 4 WDM 2キロメートル PAM4
200GBASE-LR4 8x 50Gb/s シングルモード 4 WDM 10キロメートル PAM4

高速化とPAM4変調の使用により、スループットが大幅に向上しますが、物理層での複雑さが増し、信号伝送エラーが発生しやすくなります。

最初の問題は、400G電気インターフェースのレーン速度が高いほど、信号伝送のノイズ(信号対ノイズ比とも呼ばれる)が増えることです。また、S/N比が高いと、ビットエラーレート(BER)が増加し、信号品質に影響します。

さらに、物理的外観層では、400G光モジュールの高速インターフェイスには、より多くの電気入力インターフェイス、電気出力インターフェイス、光入力インターフェイス、光出力インターフェイス、およびその他の電力および低速管理インターフェイスが含まれます。これらのインターフェイスのすべてのパフォーマンスは、400G規格に準拠する必要があります。ただし、400G光モジュールのサイズは既存の100G光モジュールに類似しているため、これらのインターフェイスの統合には、より高度な製造技術と、それらのモジュールの品質を保証するための対応する性能テストが必要です。

同時に、400G光モジュールテストの複雑さも、光モジュールベンダーに新たな課題をもたらします。ユーザーに光モジュールの品質を保証するために、ベンダーはモジュールのテスト機器とR&D技術を非常に重視する必要があります。競争力のある価格モデルを妨げる可能性のある関連する開発および製造テストのコストを抑えながら、400Gアップグレードをサポートする新製品を確認する方法は重大な課題です。

400Gモジュールの主要プロジェクト

400Gイーサネット規格は長年にわたって承認されてきましたが、OEMやネットワーク/データセンターオペレーターを含む業界全体は、基本的な接続の問題に引き続き取り組んでおり、モジュールの信頼性からリンクフラップ、過度のフレームエラーから過度のパケット損失までの問題の解決を試みています。モジュールベンダーにとって、製品品質テストは、顧客との信頼できる接続を構築するための基本です。400Gモジュールのテストプロセスのいくつかの主要なテストプロジェクトを見てみましょう。

ERパフォーマンスと光パワーレベルテスト

ER(消光比)は、400G光トランスミッターの性能を測定する重要な指標であり、最も難しいものでもあります。ERは、電気信号が光信号に変調された後、レーザーが高レベルと低レベルを出力するときの光パワー対数比です。ERテストは、レーザーが最適なバイアスポイントで、最適な変調効率の範囲内で動作するかどうかを示すことができます。OMA(外部光変調振幅)は、モジュールのレーザーがオンおよびオフになるときのパワーの差を測定できます。ERと平均パワーの両方は、主流の光オシロスコープで測定できます。

転送パフォーマンステスト

400Gモジュールは、既存のQSFP28およびQSFP+モジュールと比較してより複雑な統合であり、転送パフォーマンスのテストに対する要件も高くなります。RFC 2544では、ネットワークとデバイスのベースラインパフォーマンステストインジケーター、スループット、遅延、パケット損失率を定義しています。このテスト手順では、電気的および光学的インターフェースをテストし、送受信する信号品質に歪みが生じないことを確認します。

アイ・ダイアグラムテスト

100G光モジュールのNRZ変調のシングルアイダイアグラムとは異なり、PAM4アイダイアグラムには3つのアイがあります。また、PAM4はNRZに比べてビットベアリングの効率を2倍にしますが、ノイズ、直線性、感度の問題が依然として存在します。IEEEは、PRBS13Qを使用してPAM4の光学アイダイアグラムをテストすることを提案しています。主なテスト指標は目の高さと幅です。テスト結果でアイの高さと幅を確認することにより、ユーザーは400Gモジュールの信号線形性の品質が良好かどうかを判断できます。

Comparison of waveforms and eye diagrams between NRZ and PAM4 signals.png

ジッタテスト

ジッタテストは、主にトランスミッタの出力ジッタとレシーバのジッタ耐性のために設計されています。ジッタには、ランダムジッタと比較して確定的ジッタが予測可能なため、ランダムジッタと確定的ジッタが含まれます。トランスミッタとレシーバを設計して、それをなくすことができます。実際のテスト環境では、ジッタテストとアイダイアグラムテストを併用して、400Gトランスミッターとレシーバーのパフォーマンスを確認します。

実際の動作条件でのビット誤り率テスト

このテストでは、400G光モジュールを400Gスイッチに接続して、実際の環境での動作パフォーマンス、BER、およびエラー耐性をテストします。前述のように、400G光モジュールレーンでのBERの増加は、速度が高いために高くなり、ほとんどの400Gリンクで伝送の問題が発生します。そのため、FEC(前方誤り訂正)技術 が信号伝送品質を改善するために適用されます。

FECは、エラーチェックビット(これらをデータでエンコード)であるデータ伝送に、所定の数の冗長ビットを追加します。次に、エラーチェックビットは、データ送信の受信者がエラービットをデコードおよび修正するために使用されます。FECは、非常にノイズの多い信号環境でデータを送受信する方法を提供し、可能な限り400Gリンクでエラーのないデータ伝送を行います。

したがって、この実際の状態のテストプロセスでは、光モジュールの元のBERとFECによる修正されたBERをテストし、所定のランダムエラーシンボルまたは周波数偏差が発生したときにリンクパフォーマンス全体に影響があるかどうかを検証する必要があります。

400G光モジュールテストの機会

5G、人工知能(AI)、バーチャルリアリティ(VR)、モノのインターネット(IoT)、自動運転車によって駆動され、解決しなければならない技術的な光モジュールテストの問題が複数ありますが、400Gイーサネット市場の活況を止めることはできません。Cisco、Arista、Fisinarなどの多くのメーカーとKeysightやIxiaなどのテストソリューションプロバイダーは、独自の400G製品ソリューションを市場に売り込んでいます。この状況では、一部の小規模の光モジュールベンダーにとって、400Gモジュールテストは考慮すべき重要なポイントの1つです。400G製品の品質と供給速度を改善する方法によって、400G市場から得られる利益が決まるからです。 400Gイーサネット市場の現在と未来 について詳しく知り、来るべき高速時代の準備をしてください。