Optilise ja elektrilise ühenduse vahel valimine ei tähenda ühe tehnoloogia kiiremaks või arenenumaks kuulutamist. Kasulik tehniline küsimus on see, kus iga meedium mahub nõutava ribalaiuse, ulatuse, võimsuse, tiheduse, latentsuse ja elutsükli kulu{1}}piirkonda.
Elektriühendused jäävad lühikese ulatusega väga tõhusaks. Tegelikult töötab praegune OIF224 Gb/s-klassi elektrilised liidesedsihib kiibi-to-mooduli, kiibi-to-kiibi ja tagaplaadi/vask-kaabli rakendusi. Optilised lingid muutuvad mõjuvamaks, kui ulatus, kogu ribalaius ja kaablite tihedus suurenevad, eriti kui elektrikadu ja võrdsustamine hakkavad tarbima rohkem energiat ja konstruktsioonivaru.
Selles juhendis võrreldakse neid kahte lingi täielikul-tasemel ja tuuakse praktilisi ülekäigunäiteid, selle asemel, et tugineda ühele universaalsele kaugusele.
Optiline vs elektriline ühendamine lühidalt
| tegur | Elektriühendus | Optiline ühendus |
|---|---|---|
| Edastuskandja | PCB jäljed, tagaplaadid, twinax, keerdpaar või muud juhtivad teed | Mitmemoodilised kiud,{0}}ühemoodilised või fotoonlainejuhid |
| Parim-tuntud tugevus | Lühike{0}}lihtsus, küps ökosüsteem ja madal komponentide hind | Suur ribalaius pikema ulatusega, EMI-kindlus ja kõrge kaabli{0}}tiheduse tõhusus |
| Suur{0}}kiire jõudlusrõhk | Kadu, peegeldused ja läbirääkimised tõusevad sageduse ja kanali pikkusega | Fiber toetab kiireid{0}}linke andmekeskusest{1}}ja palju pikemate vahemaadeni |
| Signaali konditsioneerimine | Võib nõuda võrdsutamist, kordusseadmeid, täiustatud SerDesid ja väikese{0}}kaoga materjale | Nõuab E/O ja O/E konversiooni; võib kasutada ajastatud või lineaarseid optilisi arhitektuure |
| EMI | Tuleb juhtida | Optiline edastuskeskkond on elektromagnetiliste häirete suhtes immuunne |
| Võimsus | Sageli väga tõhus lühikese ulatusega; võimsus võib tõusta võrdsustamise ja ajastamise suurenedes | Sisaldab laserit, modulaatorit, vastuvõtjat ja konversiooni üldkulusid; võib saada eelise, kui elektriline ulatus muutub kalliks vattides biti kohta |
| Toite edastamine | Juhtiv infrastruktuur võib sobivates arhitektuurides võimsust kanda | Optiline andmetee ise ei anna elektrienergiat |
| Tüüpiline kasutuselevõtt | Pakendi sees, lauad, šassii ja lühikesed kaablite jooksud | Püstiku-, rea-, klastri-, andme{0}}keskuse- ja pikema{1}}katvuse lingid; arenenud arhitektuurides arvutamisele üha lähemale |
Mis on elektriline ühendus?
Elektriline ühendus edastab andmeid juhtiva kanali kaudu, nagu PCB jälg, konnektor, tagaplaat või vaskkaabel. Saatja käivitab elektrilise signaali ja vastuvõtja rekonstrueerib andmed pärast signaali läbimist kanali kaudu.
Elektriline signalisatsioon on küps ja väga kõrge jõudlusega. Väljakutse seisneb selles, et kanali kasutamine ei ole sama lihtne, kuna sõiduraja kiirus ja vahemaa suurenevad. Sumbumine, impedantsi katkestused, peegeldused, ülekõla ja müra võivad nõuda tugevamat saatja võrdsutamist, vastuvõtja võrdsustamist, edasisuunas veaparandust, ajastamist või paremaid materjale.
OIF-i CEI-224G töö näitab selgelt: elekter ei ole väikese kiiruse sünonüüm. Projekt CEI-224G-MR sihib 144–232 Gb/s signaaliülekannet kuni 500 mm PCB ja ühe konnektori kaudu, samas kui CEI-224G-LR sihib sama signaalivahemikku kuni 1000 mm tagaplaadil ja koguni kahel pistikul. Need on tahtlikult lühikesed füüsilised kanalid, kuid äärmiselt kõrged sõiduradade määrad.
Tavaliste võrgukaablite puhul on vask endiselt kasulik, kui paigaldatud liides ja vahemaa vastavad selle spetsifikatsioonile. Hengtongi omaCat 6 patch-kaablite valikon üks näide laiemast vase ökosüsteemist, mida kasutatakse lühikese ulatusega Etherneti{0}}ühenduvuse jaoks.
Mis on optiline ühendus?
Optiline ühendus kannab moduleeritud valgust läbi kiudude või fotoonilise lainejuhi. Praktiline link sisaldab tavaliselt elektriliidest, optilist saatjat või modulaatorit, optilist kanalit, fotodetektorit ja vastuvõtja elektroonikat:
Elektriandmed → optiline saatja → optiline kanal → optiline vastuvõtja → elektriandmed
See konversiooniahel on oluline. Fiberil endal on väike kadu ja see on EMI suhtes immuunne, kuid kogu optiline link tarbib endiselt energiat ja muudab rakendamise keerukamaks. Õige võrdlus ei ole seega vaskkaabel versus tühi kiud; see on üks täielik saatja-kanali-vastuvõtja arhitektuur võrreldes teisega.
Rakendamine muutub ka kaugusega.Mitmemoodiline kiudkasutatakse laialdaselt lühikese{0}}ulatusega optiliste linkide jaoks, samasühemoodi{0}}kiudtoetab pikema{0}}haardeulatusega ja suure-võimsusega arhitektuure. Seadme tasemel sõltuvad optilised lingid sellistest komponentidest nagukiired{0}}optilised transiiverid ja optilised komponendid.
Kuus erinevust, mis on reaalses süsteemikujunduses olulised
1. Ribalaiust ja ulatust tuleb hinnata koos
Ainuüksi ribalaius ei määra meediumit. Väga suure-kiirusega elektrirada töötab hästi ka rangelt juhitud lühikese kanali korral, samas kui optika suudab säilitada suurt ribalaiust palju pikematel vahemaadel.
Kaks standardiperekonda illustreerivad skaala erinevust. OIF CEI-224G elektriprojektid käsitlevad 144–232 Gb/s signaalimist alam-arvestiplaadi/tagaplaadi kanalite kaudu. Optilise poole pealt sisaldavad IEEE P802.3bs 400 GbE baasväärtused 400GBASE-DR4 vähemalt 500 m ühe-kiudu jaoks, 2 km ühe-režiimi-kiudobjektiivi ja 10 km pikkune ühemodee{{{18}.0}objektiivi{18}. Need ei ole otsesed üks-ühe-asendused, kuid näitavad, miks universaalne ristumine on eksitav: vastus sõltub liidese põlvkonnast ja lingiklassist.
| Illustreeriv liidese klass | Andme{0}}tariifi klass | Saavutage eeskuju | Mida see illustreerib |
|---|---|---|---|
| OIF CEI-224G-MR elektriline | 144–232 Gb/s signalisatsioon sõiduraja kohta | Kuni 500 mm PCB, kuni üks pistik | Väga kõrge sõiduraja kiirus võib jääda elektriliseks, kui ulatus on tihedalt piiratud |
| OIF CEI-224G-LR elektriline | 144–232 Gb/s signalisatsioon sõiduraja kohta | Kuni 1000 mm tagaplaat, kuni kaks pistikut | Elektrilist ulatust saab pikendada, kuid kanali eelarvet kontrollitakse hoolikalt |
| IEEE 400GBASE-DR4 optiline | 400 Gb/s agregaat | Vähemalt 500 m SMF | Suur koondribalaius üle andme{0}}keskuse-skaala ulatuse |
| IEEE 400GbE optilised perekonnad | 400 Gb/s agregaat | 2 km ja 10 km SMF eesmärgid | Optiline ulatus ulatub palju kaugemale kui tahvli ja passiivse{0}}vaskkanali klassid |
TheIEEE P802.3bs algtaseme kokkuvõteon kasulik, kui disainimeeskond peab ühendama andmekiiruse sihtmärgi tegeliku katvusklassiga, selle asemel et kasutada ebamääraseid fraase, nagu "suur kiirus" või "pikk vahemaa".
2. Signaali terviklikkus muutub erinevaks probleemiks
Elektrilised lingid peavad haldama sisestuskadu, tagasivoolu kadu, peegeldusi, ülekõla ja EMI-d. Kiired{1}}kanalid sõltuvad sageli täpsest impedantsi juhtimisest, pistiku konstruktsioonist, SerDesi võrdsustusest ja kanali simulatsioonist.
Fiber eemaldab mitmed elektrikanalite{0}}probleemid. See ei juhi elektrivoolu ega ole vastuvõtlik EMI-le nagu vask. See võib olla määrav elektriliselt mürarohketes keskkondades või siis, kui paljud kiired kanalid{3}}peavad läbima piiratud ruumi.
Optika ei eemalda inseneri keerukust; see muudab keerukust. Optilised disainerid peavad haldama laseri või allika integreerimist, sidestuskadu, pistiku puhtust, joondamist, fototuvastust, termilist käitumist ja optilist pakkimist.
3. Poweril on crossover, mitte universaalne võitja
Lühike elektriühendus võib olla väga energiasäästlik-, kuna see väldib optilist muundamist. Kuna elektrikanal muutub aga raskemaks, võib vaja minna rohkem ühtlustamist, ajastamist või aktiivset kaablielektroonikat. Optilised lingid tutvustavad oma laseri, modulaatori ja vastuvõtja võimsust.
Seetõttu on energia biti kohta kasulikum kui küsida, kas "kiud kasutab vähem energiat".OIF-i süsteemi{0}}tarnija nõuded-energiatõhusatele liidesteleandke kasulikke tehnilisi eesmärke, mitte universaalset väidet: üks esi{0}}optiline-otsaühendus nõuab optilise mootori ja laseri jaoks alla 10 pJ/bit, samas kui tagumise-otsa vastastikuse ühenduse puhul on sihtmärgiks tunduvalt alla 4 pJ/bit. Need on disaininõuded ja eesmärgid, mitte iga optikatoote puhul garanteeritud mõõtmised.
Samas OIF-dokumendis on eraldatud ka juurutamise skaalad: esi{0}}andme{1}}keskuste vastastikused ühendused võivad ulatuda ligikaudu 0–500 m ja mõnikord kuni 2 km kaugusele; taga-otsa kiirendi ühendused võivad ulatuda umbes 300 m-ni; ja lokaalseid arvutusühendusi on kirjeldatud vahemikus 7–10 m. See on praktilisem viis crossoverile mõelda kui ühe maagilise vahemaa otsimine.
4. Latentsusaeg sõltub kogu lingist
Optilist ei tohiks automaatselt käsitleda madalama{0}}latentsusaja valikuna. Levitamine on vaid osa lõpp-lõpuni-latentsusest. Optiline link võib hõlmata modulatsiooni, elektrilist -optiliseks-muundamist, fototuvastust, FEC-i ja vastuvõtja töötlemist. Elektriline ühendus võib sisaldada serialiseerimist, võrdsustamist, FEC-i ja retimereid.
Kui latentsusaeg on konstruktsioonipiirang, võrrelge kogu teekonda saatjast vastuvõtjani, kaasa arvatud iga retimeer, DSP ja FEC etapp. Raskema töötlemisega lühem füüsiline tee võib kaotada lihtsama andmeteega pikemale teele.
5. Tihedus, kaabli maht ja õhuvool muutuvad süsteemi piiranguteks
Mastaabis pole probleem ainult selles, kui palju gigabitti üks link kannab. See näitab, kui palju ribalaiust võib läbida esipaneeli, kaablirenni, riiuli või lülitipaketi, ilma et see takistaks õhuvoolu või kuluks liigselt marsruutimisruumi.
Fiber suudab kanda suhteliselt väikeses kaabli{0}}ristlõikes suurt ribalaiust. Paralleel-optika arhitektuurid kasutavad ka mitme-kiudühendust, näiteksMPO/MTP tooted, mis on levinud suure-tihedusega andme{1}}keskuste kaabelduses.
6. Kulud muutuvad, kui liigute komponendi hinnalt elutsükli kuludele
Elektriühendused võidavad sageli lühikese ulatusega komponentide esialgse maksumuse pealt. Optilised lingid lisavad transiivereid, optilisi liideseid ja kiud{1}}haldusnõudeid. See ei tähenda, et optika kogumaksumus oleks mastaabis automaatselt väiksem.
Kasulik TCO võrdlus peaks sisaldama järgmist:
- kaabli, pistiku ja transiiveri maksumus;
- retimer, AEC või signaal{0}}konditsioneeri elektroonika;
- lüliti ja NIC-pordi toide;
- linkelektroonikaga seotud jahutus;
- pordi tihedus ja esipaneeli piirangud;
- paigaldus- ja hooldustööd;
- uuendustsükleid ja seda, kas installitud meedium toetab tulevasi liideseid.
Selle asemel, et eeldada, et ühel meediumil on madalam TCO, looge võrdlus tegeliku sadamate arvu, ulatuse ja eeldatava uuendushorisondi ümber.
Kui elektriühendus on tavaliselt parem valik
Elektriühendust eelistatakse tavaliselt siis, kui kanal on füüsiliselt lühike ja valitud elektriliidesel on mugav signaali{0}}terviklikkusvaru.
- Pakendi, laua või šassii sees:elektrilised lingid väldivad tarbetut optilist muundamist ja kasutavad küpset disaini ökosüsteemi.
- Lühike kaabel kulgeb kehtestatud vasestandardiga:vask võib olla lihtne, odav ja kergesti hooldatav.
- Toide peab liikuma koos ühendusega:elektrit juhtiv infrastruktuur on endiselt vajalik. Kui projekt vajab ühes kaablikonstruktsioonis nii optilisi andmeid kui ka toidet, afotoelektriline komposiitkaabelvõib kombineerida kiud- ja elektrijuhte, kuid optilised kiud ise ei kanna elektrivoolu.
- Nõutav ribalaius on mugavalt alla elektrikanali piiri:optika lisamine ei loo väärtust, kui olemasolev elektriühendus juba vastab ulatuse, võimsuse ja tiheduse eesmärkidele.
Kui optiline ühendus muutub tugevamaks valikuks
Optika juhtum tugevneb siis, kui korraga ilmuvad mitu piirangut, mitte siis, kui üks arv ületab fikseeritud läve.
- Katvus liigub tahvli/šassii skaalalt riiuli-, rea- või andmekeskuse{0}}skaala suunas.
- Kogu ribalaius kasvab kiiremini kui saadaolev elektrikanali varu.
- Ümberajastamine, võrdsustamine või aktiivne vasest elektroonika tarbivad lubamatu osa energiaeelarvest.
- EMI, ülekõnede või maanduse piiranguid on raske hallata.
- Pordi tihedus, kaabli maht või õhuvool on muutunud füüsiliseks disainipiiranguks.
- Eeldatakse, et kaabeldustehas toetab mitut tulevaste põlvkondade kiiret{0}}liidest.
Need tingimused on levinud suure{0}}tihedusega andmetöötluse jaandme{0}}andmekeskuse ühenduvus, kus sama süsteem võib kasutada elektrilisi linke serverites ja optilisi linke riiulite või lülituskihtide vahel.
Üleminekupunkt: kasutage ulatuse–ribalaiuse–võimsuse maatriksit
Ei ole universaalset distantsi, kus vask peatub ja optika algab. Parem lähenemine on liigitada ühendus füüsilise skaala järgi ja seejärel testida, kas elektrilisel teostusel on veel varu.
| Ühenduse skaala | Elektriline korpus | Kui optika kaalus juurde võtab |
|---|---|---|
| Pakend / tahvel, sentimeetrid kuni umbes 1 m | Tavaliselt tugev; OIF määrab 112G- ja 224G-klassi elektriliidesed spetsiaalselt nende kanalite jaoks | Kui sisend- ja väljundtihedus muutub peamiseks piiranguks energia biti või paketi väljavoolu kohta |
| Sees/külgnevad nagid, mitu meetrit | DAC, AEC ja muud elektrilised valikud võivad töötada sõltuvalt liidesest ja toiteeelarvest | Kui kogu ribalaiust, kaabli hulgi- või aktiivset{0}}kaablit muutub keeruliseks skaleerida |
| Kobar / rida, kümneid kuni sadu meetreid | Elektrilised valikud kitsenevad, kui ulatus tõuseb | Optikat eelistatakse sageli ribalaiuse tiheduse, EMI-kindluse ja ulatuse jaoks |
| Andmekeskuse{0}}esiosa, sadade meetrite kuni kilomeetrite kaugusel | See ei ole tavapärane kiir{0}}plaadi/vaskühenduste domeen | Optilised Etherneti perekonnad on mõeldud 500 m, 2 km, 10 km ja pikema ulatusega klassidele |
Konkreetselt AI/HPC puhul paigutavad OIF-i energia{0}}säästliku-liidese nõuded esi-taga-otsa ja kohalikud arvutuslingid erinevatesse ulatuse- ja võimsuskategooriatesse. Hengtongi juhendvask versus kiud AI andmekeskustessaab kasutada lugemise järel-, kui otsus on seotud AI-klastri arhitektuuriga, mitte üldise võrguga.
Optilised ja elektrilised ühendused töötavad tavaliselt koos
Paljud kaasaegsed süsteemid on disainilt hübriidsed. Elektriline signaalimine jääb tõhusaks protsessorite, mälu, lüliti ASIC-ide ja muu elektroonika läheduses. Link läheb üle optikale, kus kaugus, ribalaiuse tihedus või signaali terviklikkuse rõhk{2}} õigustavad teisendamist.
Ka üleminekupunkt liigub. OIF-i kaas{1}}pakendamise töö määratleb 3,2 Tb/s ko-pakendatud mooduli Etherneti kommutatsioonirakenduste jaoks ja sihib ligikaudu 140 Gb/s servaribalaiuse millimeetri kohta. Laiem tööstusharu suund on lühendada ASIC-i ja optilise mootori vahelise -kiire elektritee pikkust, selle asemel, et elektrilist signaalimist täielikult kaotada.
TheOIF 3.2T kaas-pakendamise juurutuslepingon kasulik viide, et mõista, miks "optiline versus elektriline" on üha enam arhitektuurse paigutuse küsimus.
Levinud väärarusaamad
"Optiline on alati kiirem."
Ei. Optilisel on suured ribalaiuse ja ulatuse eelised, kuid jõudlus lõpp-otseni- sõltub ka saatjast, vastuvõtjast, DSP-st, FEC-st ja protokollist. Lühike elektriline liides võib vastata samadele rakendusnõuetele vähemate konversioonietappidega.
"Optiline kasutab alati vähem energiat."
Ei. Lühike elektriühendus võib olla väga tõhus. Optiline muutub atraktiivsemaks, kui kogu elektriline teostus vajab olulist võrdsutamist, ajastamist või aktiivset kaablielektroonikat. Täieliku lingi jaoks võrrelge pJ/bit.
"Vask on vananenud."
Ei. OIF määratleb aktiivselt 224 Gb/s-klassi elektriliideseid järgmise põlvkonna-süsteemide jaoks. Elektriühendused on endiselt olulised arvutusseadmete läheduses ja seadmete sees.
"Optiline ühendus tähendab ainult kiudaineid."
Ei. Optiline link sisaldab elektro-optilisi komponente, pakendeid ja elektroonikat. Kiud võib olla kanali väikseima-kaoga osa, kuid see ei ole kogu süsteem.
Korduma kippuvad küsimused
Millise vahemaa tagant tuleks elektriline ühendus asendada optilisega?
Universaalset distantsi pole. Väga suure sõiduradade kiiruse korral võidakse elektristandardeid optimeerida alam-arvestiplaadi ja tagaplaadi kanalite jaoks, samas kui optilise Etherneti standardid toetavad sadu meetreid või kilomeetreid. Otsus peaks ühendama ulatuse, sõiduraja kiiruse, ribalaiuse, võimsuse, tiheduse ja maksumuse.
Kas optiline ühendus on AI andmekeskuste jaoks parem?
See on sageli oluline -vähendamise ja suure-tihedusega linkide jaoks, kuid elektrilised lingid domineerivad siiski paljudes kiirendite ja lüliti räni lähedal asuvates lühikestes ühendustes. OIF-i praegused nõuded käsitlevad selgesõnaliselt esi-taga-otsa ja kohalikke arvutusühendusi kui erinevaid kujundusruume.
Kas optiline ühendus vähendab latentsust?
Mitte automaatselt. Optiline levik on vaid üks osa latentsusest. Teisendamine, DSP ja FEC võivad olla sama olulised kui meedium. Võrrelge kogu andmeteed.
Kas optiline ühendus kannab elektrivoolu?
Optiline kiud seda ei tee. Vajalik on eraldi juht. Hübriid- või fotoelektriline komposiitkaabel võib asetada optilised kiud ja elektrijuhid samasse kaablikonstruktsiooni, kui on vaja nii andmeid kui ka toidet.
Mis on võimsuse võrdlemiseks kõige kasulikum mõõdik?
Kasutage täielikku-lingi energiat biti kohta koos pordi koguvõimsuse ja jahutusmõjuga. Ainuüksi komponentide võimsus võib varjata retimerite, DSP, laserite või aktiivse kaablielektroonika kulusid mujal.
Kas kaas{0}}pakendatud optika asendab ühendatava optika ja elektrilised ühendused?
Mitte universaalse asendusena. Kaas-pakendatud optika on üks arhitektuur optilise mootori lähendamiseks lülitus- või arvutamisränile. Ühendatav optika, aktiivsed elektrikaablid, passiivsed vask- ja tahvli{3}}tasandi elektriühendused vastavad ka edaspidi erinevatele ulatuse, hooldatavuse, kulu- ja võimsusnõuetele.
Lõplik Takeaway
Elektriline ühendus on tugevaim seal, kus füüsiline kanal on lühike, liidesel on piisav signaali-terviklikkusvaru ning oluline on lihtsus või madal algkulu. Optiline ühendus muutub mõjuvamaks, kuna ulatus, koguribalaius, EMI-kindlus ja ribalaiuse tihedus suruvad elektrikanalit tugevama võrdsustamise, ajastamise või aktiivse{2}}kaabli toite suunas.
Crossover ei ole seega fikseeritud meetrite arv. See on punkt, kus kogu elektriühendus ei vasta enam nõutavale ribalaiusele, ulatusele, võimsusele, tihedusele, latentsusele ja elutsükli-kulu ümbrikule mugava varuga.
Esmalt määratlege need piirangud. Seejärel võrrelge terviklikke elektrilisi ja optilisi arhitektuure sama andmeedastuskiiruse ja ulatusega. Paljudes suure jõudlusega-süsteemides pole parim konstruktsioon optiline ega elektriline isoleeritult; see on tahtlik üleminek räni lähedal asuvalt elektriliselt signaalilt optilisele signaalimisele, kui vahemaa ja ribalaiuse tihedus seda õigustavad.