Qual è lo scopo di un ricetrasmettitore ottico?

 

Molte persone potrebbero non avere familiarità con il termine "ricetrasmettitore ottico". Ma ogni volta che navighi su TikTok, effettui videochiamate o archivi file nel cloud, questo piccolo dispositivo lavora silenziosamente dietro le quinte.

 

 

Innanzitutto, capiamo cos'è un ricetrasmettitore ottico

 

Un ricetrasmettitore ottico, generalmente chiamato nel settore "modulo ottico", è essenzialmente un convertitore di segnale.

 

Il router di casa, lo switch aziendale e i server del data center funzionano tutti con segnali elettrici. Ma i segnali elettrici hanno un grosso problema:-non viaggiano molto lontano. Con i cavi in ​​rame, un segnale 10G può percorrere solo 30-50 metri prima di rompersi ed è estremamente suscettibile alle interferenze; anche un motore acceso nelle vicinanze può causare problemi.

I segnali ottici sono diversi. In teoria, i segnali ottici nella fibra mono-modale possono viaggiare per centinaia di chilometri, con una larghezza di banda assurdamente ampia; una singola fibra sottile come un capello umano può trasmettere decine di terabyte di dati contemporaneamente.

Ma ecco il problema: i dispositivi non possono elaborare segnali ottici.

 

 

Ecco perché abbiamo bisogno dei moduli ottici come "traduttori":

Durante l'invio:convertire i segnali elettrici in segnali ottici e inviarli alla fibra.

Alla ricezione:riconvertire i segnali ottici nella fibra in segnali elettrici affinché i dispositivi li elaborino-è semplicissimo.

 

Data Center: i maggiori consumatori di moduli ottici

 

Vorrei iniziare con alcune cifre concrete. L'anno scorso ho avuto l'opportunità di visitare il data center di un importante fornitore di servizi cloud a Zhangbei. Il personale operativo e di manutenzione mi ha detto che il loro unico campus aveva oltre 500.000 moduli ottici e ne sostituivano diverse centinaia ogni mese per vari motivi; i pezzi di ricambio erano ammucchiati come piccole montagne nel magazzino.

E questo era solo un campus. Il totale complessivo di diversi importanti produttori nazionali supera facilmente i dieci milioni di moduli ottici in funzione.

 

Perché usarne così tanti?

Accesso al server
Nei data center tradizionali di oggi, ogni server è dotato di almeno due porte di rete 25G o 100G, che richiedono tutte moduli ottici. Un rack che ospita 40 server richiederebbe 80 moduli ottici solo per quel livello server.

 

Alcuni chiedono: "Perché non utilizzare solo cavi in ​​rame per brevi distanze?"

Esiste infatti una soluzione del genere, chiamata DAC (Direct Connect Copper Cable), che è davvero economica ed efficace entro 3 metri. Tuttavia, non funziona oltre i 3 metri a causa della forte attenuazione del segnale. Il cablaggio del data center è raramente pulito e ordinato; spesso comporta colpi di scena e 5 o 10 metri sono abbastanza comuni. In questi casi, i moduli ottici sono essenziali.

 

Architettura di interconnessione Spine-Leaf

La maggior parte dei data center decenti ora utilizza un'architettura Spine-Leaf. Gli switch Leaf gestiscono l'accesso al server, mentre gli switch Spine gestiscono l'inoltro del traffico est-ovest.

La distanza tra Leaf e Spine varia da decine a un paio di centinaia di metri ed è generalmente di 100G o superiore, con i principali produttori che stanno già passando a 400G.

Secondo i dati di LightCounting all'inizio del 2024, i moduli ottici 100G sono ancora la categoria più importante nelle spedizioni di data center, ma il 400G sta registrando una crescita sorprendente, aumentando di quasi l'80% anno-su-anno.

Ritengo che entro il 2025 il 400G diventerà lo standard per i data center di nuova costruzione.

 

 

Interconnessione del data center (DCI)

 

Le grandi aziende in genere hanno diversi data center in una città, che richiedono un'interconnessione ad alta-velocità per la sincronizzazione dei dati e il ripristino di emergenza.

Le distanze DCI all'interno della stessa città sono generalmente di 10-80 chilometri. In precedenza, per questo scenario venivano utilizzati 100G LR4 ed ER4, ma ora viene adottato sempre più il 400G ZR. ZR è un modulo ottico coerente, in grado di funzionare a distanze di 80 chilometri o anche più, con una lunghezza d'onda singola 400G, che è molto potente.

 

L'anno scorso un cliente voleva stabilire una connessione diretta 400G tra due data center distanti 60 chilometri l'uno dall'altro. Inizialmente, il piano prevedeva l’utilizzo delle tradizionali apparecchiature DWDM, che sarebbero costate diversi milioni di yuan. Successivamente sono passati a una connessione diretta con moduli ottici 400G ZR, riducendo i costi di oltre la metà e semplificando notevolmente la manutenzione. Questa è una testimonianza dei vantaggi del progresso tecnologico.

 

Cluster di intelligenza artificiale: la tendenza più in voga di recente

 

I modelli su larga-scala sono diventati popolari negli ultimi due anni e i requisiti di larghezza di banda della rete per l'addestramento dei cluster sono semplicemente folli.

Il server DGX H100 di NVIDIA, con 8 GPU per macchina e ciascuna GPU dotata di una porta Ethernet 400G, richiede otto moduli ottici 400G per macchina. La creazione di un cluster di decine di migliaia di GPU comporterebbe costi astronomici per i moduli ottici.

Si dice che un importante produttore abbia pagato anticipatamente centinaia di milioni ai suoi fornitori per garantire la capacità di produzione di moduli ottici da 800G.

Personalmente, ritengo che la domanda di intelligenza artificiale sia arrivata troppo rapidamente e che la catena di fornitura dei moduli ottici sia stata costantemente serrata. La prova più diretta è che i prezzi delle azioni di diversi importanti produttori di moduli ottici sono saliti alle stelle quest’anno.

Le reti degli operatori di telecomunicazioni rappresentano un mercato tradizionale per i moduli ottici. Sebbene non siano così "attraenti" come i data center, la loro scala è stabile.

 

Rete di trasporto 5G

 

Le stazioni base 5G sono divise in tre livelli: AAU, DU e CU. Le connessioni tra loro sono chiamate fronthaul, midhaul e backhaul.

Fronthaul (da AAU a DU) utilizza più comunemente moduli ottici da 25G, con distanze generalmente non superiori a 20 chilometri. Questo segmento ha requisiti estremamente elevati di latenza e sincronizzazione, utilizzando il protocollo eCPRI, e anche i moduli ottici hanno alcuni requisiti speciali. L’anno scorso, in un progetto fronthaul 5G con un operatore mobile provinciale, sono stati molto severi con i test di latenza dei moduli ottici; diversi lotti sono stati restituiti a causa dell'eccessiva latenza. Il controllo di qualità è fondamentale nei progetti di telecomunicazioni.

Midhaul e backhaul utilizzano moduli ottici con velocità più elevate, inclusi 50G e 100G, e su distanze molto più lunghe, potenzialmente decine di chilometri.

Il picco dell'implementazione del 5G è effettivamente passato, ma il 6G è in fase di pre-ricerca, quindi ci saranno ancora opportunità in seguito.

 

Reti metropolitane (MAN) e reti dorsali

 

Le reti metropolitane (MAN) sono principalmente le reti gestite da operatori all'interno delle città, che aggregano vari traffici di accesso e li inviano alla rete dorsale.

La rete dorsale è una rete di trasmissione a lunga-distanza che abbraccia città e province e trasporta quasi tutto il traffico Internet. Le reti dorsali devono utilizzare sistemi DWDM, stipando dozzine o addirittura centinaia di lunghezze d’onda in una singola fibra ottica, ciascuna lunghezza d’onda a 100G o 400G.

I moduli ottici utilizzati in quest'area sono quelli tecnologicamente più avanzati, principalmente moduli ottici coerenti, e sono costosi; un singolo modulo può facilmente costare decine di migliaia di yuan. Francamente, il business delle reti dorsali ha margini di profitto elevati, ma il volume è piccolo e la base clienti è limitata a pochi operatori, il che rende le relazioni cruciali.

 

Requisiti del modulo ottico di rete aziendale

 

Rete universitaria

Le aziende leggermente più grandi avranno sicuramente bisogno di posare cavi in ​​fibra ottica tra gli edifici adibiti ad uffici. L'esempio più estremo che ho visto è la rete del campus di una fabbrica automobilistica. L'area della fabbrica è così grande che alcuni edifici sono distanti tre o quattro chilometri l'uno dall'altro e richiedono moduli ottici 10G LR o addirittura ER.

I clienti aziendali sono generalmente-sensibili al prezzo. I moduli ottici dei produttori di apparecchiature originali (OEM) sono troppo costosi, quindi la maggior parte sceglierà moduli compatibili di terze-parti. Finché trovi un fornitore affidabile, i moduli compatibili generalmente funzionano senza problemi. Tuttavia, ci sono delle eccezioni. Alcune grandi imprese e istituti finanziari di proprietà statale- richiedono l'uso di moduli OEM nei loro processi di approvvigionamento, anche se sono due o tre volte più costosi. Esistono requisiti di conformità; non c'è modo di aggirarlo.

 

Reti di archiviazione

Nei data center aziendali sono necessari anche moduli ottici per interconnettere server e dispositivi di archiviazione.

Esistono due sistemi principali per le reti di storage: Fibre Channel (FC) ed Ethernet. FC è un protocollo più vecchio, ma è ancora ampiamente utilizzato in settori come la finanza e la sanità grazie alla sua stabilità e affidabilità.

I moduli ottici FC hanno specifiche proprie: 8G, 16G e 32G FC e non possono essere utilizzati in modo intercambiabile con i moduli ottici Ethernet. Negli ultimi anni, il protocollo NVMe-oF ha guadagnato popolarità, utilizzando Ethernet per trasportare il traffico di archiviazione, e la quota di mercato di FC viene gradualmente erosa. Tuttavia, questo processo sarà molto lento perché il mercato esistente è troppo grande.

 

Altre applicazioni dei moduli ottici

 

Scenari industriali

Gli ambienti di fabbrica sono difficili, con livelli elevati di interferenze elettromagnetiche e drastiche fluttuazioni di temperatura, che i normali moduli ottici non possono sopportare. I moduli ottici di tipo industriale-richiedono un intervallo di temperatura operativa compreso tra -40 gradi e +85 gradi, nonché resistenza alle vibrazioni e agli urti. Il costo è significativamente più alto rispetto ai normali moduli ottici, ma i clienti industriali non sono preoccupati per il costo aggiuntivo; danno priorità alla stabilità.

Un amico che lavora al progetto di un'acciaieria mi ha detto che gli switch ordinari semplicemente non sono utilizzabili per le apparecchiature di rete vicino agli altiforni; devono utilizzare apparecchiature di livello-industriale con moduli ottici-di livello industriale, altrimenti la rete si surriscalderà e si bloccherà.

 

Radiodiffusione e televisione

Anche le stazioni televisive utilizzano moduli ottici per trasmettere internamente i segnali video, ma il protocollo è leggermente diverso; è SDI su fibra.

I segnali 4K e 8K a ultra-alta-definizione hanno larghezze di banda molto ampie e la compressione introduce latenza, il che è inaccettabile per le trasmissioni in diretta. Pertanto l'industria radiotelevisiva utilizza la trasmissione non compressa, che pone requisiti molto elevati in termini di larghezza di banda dei moduli ottici.

 

Applicazioni militari e speciali

I moduli ottici militari sono un mondo completamente diverso, che richiede vari tempramenti e certificazioni, e anche il prezzo è di un livello completamente diverso-oltraggiosamente costoso. Non è conveniente rivelare dettagli specifici, ma in breve, le barriere tecniche sono molto elevate e non ci sono molti attori che possono entrare in questo campo.

 

Come scegliere un modulo ottico?

 

Dopo aver discusso di così tanti usi, come si sceglie un modulo ottico nel lavoro reale?

 

Per prima cosa, comprendi la distanza

Lasciare un po' di margine nella scelta dei moduli ottici. Ad esempio, se la distanza misurata è 800 metri, scegliere

DR (specifica dei 500 metri) non è sicuramente sufficiente; devi usare FR.

 

In secondo luogo, confermare il tipo di fibra

I moduli ottici multimodali possono essere utilizzati solo con la fibra multimodale, mentre i moduli ottici monomodale- possono essere utilizzati solo con la fibra monomodale-. Se scegli il tipo sbagliato, il modulo non si accenderà.

La fibra multimodale ha diversi gradi: OM1, OM2, OM3, OM4 e OM5. Maggiore è il grado, maggiore è la distanza supportata. Attualmente, OM3 e OM4 sono il mainstream. La fibra monomodale- è fondamentalmente G.652, quindi non devi preoccuparti del modello.

 

Terzo, controlla la compatibilità del dispositivo

Sebbene i moduli ottici abbiano lo standard MSA, diversi produttori di apparecchiature implementano comunque metodi diversi, quindi non tutti sono necessariamente compatibili. Le apparecchiature Cisco e Huawei prevedono maggiori restrizioni sui moduli ottici di terze-parti e alcune richiedono l'input della riga di comando-per il riconoscimento. Arista e Mellanox sono relativamente più aperti. Per sicurezza, chiedi al fornitore se lo ha testato sul dispositivo di destinazione. I principali produttori di moduli ottici compatibili solitamente dispongono di elenchi di compatibilità.

 

In quarto luogo, prestare attenzione al consumo energetico

I moduli ottici ad alta-velocità consumano sempre più energia. Un modulo DR4 da 400G consuma 8-10 W, mentre un modulo ZR da 400G può raggiungere 15-20 W.

Se tutti i moduli ottici fossero installati in uno switch, il consumo energetico totale potrebbe raggiungere diverse centinaia di watt, mettendo a dura prova la dissipazione del calore. Ricordarsi di tenerne conto nella progettazione, per evitare di sovraccaricare il sistema di raffreddamento del data center.

 

I moduli 800G sono attualmente molto richiesti, con alcuni modelli che hanno tempi di consegna di tre o quattro mesi. Se un progetto ha un programma serrato, è essenziale garantire le forniture in anticipo.

 

Risoluzione dei problemi dei moduli ottici

 

Collegamento inattivo

Inizia dalla cosa più semplice: il modulo ottico è collegato saldamente? Il cavo in fibra ottica è collegato correttamente? Non ridere, alcune persone in realtà non sentono un "clic" quando si collega il cavo in fibra ottica e pensano che sia collegato correttamente quando non lo è. Quindi controllare la polarità della fibra. Per le connessioni a fibra doppia-, il trasmettitore (Tx) deve essere collegato al ricevitore (Rx); collegandoli al contrario si evita l'accensione. Se il problema persiste, utilizzare un misuratore di potenza ottica per misurare la potenza di trasmissione e ricezione per vedere se uno dei moduli ottici è difettoso.

 

Errori o perdita di pacchetti:

 

Traccia il collegamento per vedere quale segmento della fibra è difettoso. Se ancora non riesci a individuare il problema, prova a sostituire il modulo ottico, la fibra o la porta-utilizzando il processo di eliminazione.

 

Parliamo di alcune tendenze tecnologiche

 

 

800G e 1,6T:

 

Tecnologia fotonica del silicio

La fotonica del silicio è stata pubblicizzata per molti anni.

Francamente, personalmente ritengo che sia stato-commercializzato eccessivamente. In teoria, la fotonica del silicio può ridurre i costi e aumentare l’integrazione, ma nella produzione di massa effettiva, i problemi di resa non sono stati completamente risolti. Inoltre, i materiali a base di silicio-non possono essere utilizzati per realizzare i laser; devono ancora essere mescolati e integrati con i materiali del gruppo III-V.

Naturalmente questa è solo la mia opinione; molti nel settore non sono d'accordo. Intel e Cisco stanno promuovendo fortemente la fotonica del silicio e devono avere le loro ragioni.

 

CPO (ottica co-confezionata)

Questo concetto è più radicale: impacchetta direttamente insieme il motore ottico e il chip di commutazione. Il vantaggio è una significativa riduzione del consumo energetico e un aumento della densità di larghezza di banda. Lo svantaggio è che il modulo ottico non può essere sostituito singolarmente; se uno si guasta, potrebbe essere necessario sostituire l'intera scheda.

Grandi aziende come Google e Meta stanno promuovendo fortemente il CPO e le implementazioni effettive sono previste nel 2025 o nel 2026. Tuttavia, non è ancora chiaro se diventerà mainstream. I colleghi della manutenzione temono il CPO: come sostituirlo se si guasta? L’intero sistema dovrebbe essere disattivato?

 

Infine

 

L'idea di fondo è semplice: i ricetrasmettitori ottici sono la pietra angolare delle moderne reti di comunicazione, con applicazioni estremamente ampie.

Dalla vostra casa a banda larga ONU alla rete backbone degli operatori di telecomunicazioni; dalle reti di uffici aziendali ai data center su vasta scala; dalle stazioni base 5G ai cluster di formazione AI-i moduli ottici sono ovunque.

Questo settore non è affascinante e le barriere tecniche non sono così intimidatorie come quelle del settore dei chip, ma la sua forza risiede nella sua crescita costante e continua. L’ondata di intelligenza artificiale ha dato al settore una spinta significativa. Se sei un ingegnere di rete, un ingegnere operativo di un data center o semplicemente sei interessato al settore delle comunicazioni, vale sicuramente la pena dedicare un po' di tempo alla conoscenza dei moduli ottici. Più a lungo lavori in questo campo, più lo apprezzerai.