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Oct 13, 2023

400G-Fallstricke: Die nicht realisierten Inkompatibilitäten

Rob Pocock, Technischer Direktor, Red Helix Hochgeschwindigkeitskonnektivität ist ein Muss, um 5G-, ML- und KI-Anwendungen voranzutreiben. Letztes Jahr veröffentlichte die britische Regierung ihre digitale Strategie 2022 mit einem starken Fokus auf

Rob Pocock, Technischer Direktor, Red Helix

Hochgeschwindigkeitskonnektivität ist ein Muss, um 5G-, ML- und KI-Anwendungen voranzutreiben

Letztes Jahr veröffentlichte die britische Regierung ihre Digitalstrategie 2022 mit einem starken Fokus auf die Positionierung des Landes als „globale Wissenschafts- und Technologie-Supermacht“.

Keine schlechte Idee, wenn man bedenkt, dass laut einem Bericht von Public First die digitale Technologie die britische Wirtschaft bis 2030 um über 413 Milliarden Pfund (524 Milliarden US-Dollar) wachsen lassen könnte. Es gibt jedoch noch viel zu tun bevor dieser Punkt erreicht wird.

Eine der größten Anforderungen für die digitale Transformation Großbritanniens ist ein Upgrade seiner digitalen Infrastruktur, die erforderlich ist, um den ständig steigenden Datenanforderungen gerecht zu werden.

Neue technologische Fortschritte – wie 5G, maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz – werden mit nahezu unbegrenztem Potenzial in intelligente Netzwerke, fortschrittliche Fertigung und autonomen Transport integriert. Damit diese Technologien jedoch effizient funktionieren, muss eine flächendeckende Hochgeschwindigkeitsverbindung verfügbar sein.

Diese Anforderungen haben neben anderen Faktoren zu einem Sprung von einer 100-Gbit/s-Infrastruktur auf 400 Gbit/s geführt, wobei der 200-Gbit/s-Meilenstein etwas umgangen wurde.

Das Problem dabei ist, dass die vorherigen Geschwindigkeiten alle die Non-Return-To-Zero-Modulation (NRZ) verwendeten, die keine Geschwindigkeit von 400 Gbit/s verarbeiten kann. Dies erfordert den Einsatz einer völlig anderen Modulationsart.

Um die schnelleren Datengeschwindigkeiten von 400 Gbit/s zu erreichen, müssen mehr Daten gleichzeitig über das Kabel übertragen werden. Hier kommt die Pulse Amplitude Modulation 4 Level (PAM4) ins Spiel.

Während die NRZ-Modulation zwei Spannungspegel zur Darstellung binärer Daten verwendet (wobei ein Pegel eine „0“ und der andere eine „1“ darstellt), verwendet PAM4 vier verschiedene Spannungspegel (dargestellt „0-0“, „0-1“, „1“) -0' und '1-1').

Dadurch kann PAM4 in jedem Taktzyklus doppelt so viele Daten übertragen, wobei jeder Spannungspegel zwei Datenbits anstelle von einem darstellt, wodurch sich die Datenrate, die über dasselbe physische Medium übertragen wird, effektiv verdoppelt.

Das Vorhandensein dieser beiden unterschiedlichen Modulationsschemata bedeutet jedoch, dass sie nicht zusammenarbeiten können. Das vierstufige System von PAM4 wird von Geräten, die zum Lesen des zweistufigen Systems von NRZ ausgelegt sind, nicht verstanden und umgekehrt.

Daher müssen Netzbetreiber, die auf 400 Gbit/s aufrüsten möchten, sicherstellen, dass beide Enden einer Verbindung die gleiche Modulation verwenden.

Dieses Problem tritt besonders bei der Verwendung von Breakout-Kabeln in Erscheinung (z. B. bei der Aufteilung von 400 Gbit/s in 4 x 100 Gbit/s-Links), da die meisten 100 Gbit/s-Optiken in heutigen Netzwerken NRZ-Modulation verwenden und daher nicht kompatibel sind.

Benutzer müssten daher ihre 100-Gbit/s-Optiken auf solche mit PAM4-Modulation umstellen, vorausgesetzt, das Gerät, in das die Optiken eingesetzt werden, wurde für den Betrieb mit PAM4-100-Gbit/s-Optiken zertifiziert.

Nicht alle dieser Probleme sind unüberwindbar, es handelt sich jedoch um einen weiteren Faktor, den Netzwerkarchitekten und -ingenieure berücksichtigen müssen, bevor sie eingreifen und ihre Netzwerke aktualisieren.

Aufgrund der Inkompatibilität zwischen PAM4 und NRZ muss jeder, der mit der Nutzung von 400 Gbit/s beginnen möchte, einen Austausch seiner vorhandenen Transceiver in Betracht ziehen. 400-Gbit/s-Transceiver sind teuer, wie es bei neuer Technologie oft der Fall ist, und auch wenn der Preis irgendwann sinken wird, müssen sich Kunden darüber im Klaren sein, dass sie nicht so kosteneffektiv sein werden wie die älteren Transceiver.

Dafür gibt es zwei Gründe. Erstens müssen diese neuen Transceiver mit den bestehenden QSFP-Formfaktoren (Quad Small Form-factor Pluggable) kompatibel bleiben und daher in den gleichen physischen Raum passen wie die vorherigen NRZ-basierten Transceiver.

Die Entwicklung eines Transceivers, der in der Lage ist, PAM4-Signale zu senden und zu empfangen und dabei die gleiche Größe wie bisherige Transceiver beizubehalten, ist mit erheblichen Kosten verbunden, wodurch die neuen Transceiver teurer werden.

Zweitens erzeugen die 400-Gbit/s-Transceiver mehr Wärme als ihre 100-Gbit/s-Gegenstücke. Da die Größe eines Transceivers gleich ist, muss mehr Wärme abgeführt werden, wodurch sich das Risiko einer Verformung des Transceivers erhöht.

Dies erhöht nicht nur die Kosten für Forschung und Entwicklung, da zusätzliche Tests erforderlich sind, um die Temperaturschwellenwerte zu verstehen, sondern bedeutet auch, dass weitere Investitionen in die Kühl- und Stromversorgungsinfrastruktur erforderlich sind.

Der Wechsel von 10 Gbit/s über 40 Gbit/s zu 100 Gbit/s war relativ einfach, da alle (größtenteils) die gleiche Modulation verwendeten.

Dies bedeutet, dass die Verwendung von Breakout-Kabeln zur Aufteilung oder Kombination verschiedener Geschwindigkeiten gut funktioniert hat und uns eine einfache Route zum Wechseln zwischen den Geschwindigkeiten ermöglicht hat, was die Migration erleichtert hat. Bei der Umstellung auf PAM4 müssen wir nur noch herausfinden, was zusammenarbeiten kann und was nicht.

Es besteht natürlich der Wunsch nach einem Upgrade auf 400-Gbit/s-Netzwerke. Aber bevor Sie beginnen, ist es wichtig, genau zu verstehen, was erforderlich ist, damit eine 400-Gbit/s-Übertragung funktioniert, und wie viel sie kosten wird.

Bei der Umstellung auf höhere Geschwindigkeiten kommt es nicht mehr nur auf die Art der verwendeten Fasern (Singlemode oder Multimode) und die Übertragungslänge einer bestimmten Technologie an.

Wir müssen auch darüber nachdenken, wie Geräte, die diese höheren Geschwindigkeiten erreichen können, mit bestehenden Netzwerken zusammenarbeiten.

Netzbetreiber, die diese Herausforderungen erkennen, können kostspielige Fehler vermeiden und die Ressourcen optimal nutzen, nicht nur jetzt, sondern auch bei zukünftigen Upgrades – denn es ist sehr wahrscheinlich, dass wir bei einem Upgrade auf 800 Gbit/s oder sogar 1,6 Tbit/s auf ähnliche Herausforderungen stoßen werden , Netzwerke.