Storicamente, le interfacce Ethernet ad alta velocità erano inizialmente guidate dai requisiti di densità ed efficienza spettrale dei fornitori di servizi. I moduli ottici iniziano in grande, di solito una scheda alla volta. Nel corso di diverse generazioni, ciascuna velocità è stata fusa in uno dei due pacchetti: SFP e QSFP. E man mano che la domanda aumenta in modo sostanziale, anche i costi e il consumo energetico diminuiscono gradualmente.
Si prevede inoltre che il tasso di crescita quinquennale del 400GbE senza cavo in rame e AOC sarà 20 volte più veloce di quello del 100GbE (vedi figura sotto: confronto tra i primi cinque anni del 100GbE e del 400GbE). Questa opportunità sta guidando investimenti senza precedenti nel settore da parte di aziende affermate e startup.
400GbEsulla corsia di sorpasso
Il 10GbE ha impiegato dieci anni per evolversi da XENPAK a SFP+. Il 100GbE ha implementato CFP, CPAK e CFP2, per poi passare a QSFP28 entro 5 anni. Anche il 100GbE ha sofferto dei passi falsi del CFP4, ma ha anche imparato una lezione fondamentale: l'ottica deve essere sincronizzata con altri obiettivi per piattaforme, reti e aziende. In caso contrario, è uno spreco di tempo e denaro. La dimensione del CFP4 è interessante, ma interrompe la compatibilità con le versioni precedenti e non soddisfa tutti e tre gli obiettivi.
Raggiungere una capacità elevata e un costo contenuto per il 400GbE è fondamentale per gli operatori di rete, i produttori di chip, i fornitori di prodotti ottici, i fornitori di router e switch e molti altri membri dell'ecosistema ottico. In particolare, uno dei motivi del successo dell'implementazione del 400GbE è stata la convergenza di velocità e PMD tra i membri IEEE, OIF e protocollo multi-source (MSA). Sfortunatamente, inizialmente l’industria disponeva di due modelli di packaging collegabili, che hanno portato alla riqualificazione e alla produzione. Questa duplicazione può ridurre la capacità del mercato di estendere soluzioni comuni.
Svantaggi delle due modalità di incapsulamento del ricetrasmettitore
I fattori chiave per il successo del lancio del 400GbE includono costi, protezione degli investimenti e catena di fornitura. Quando il costo è fondamentale, è importante non sovraccaricare la funzionalità. Lo standard originale 100GbE era basato sulla fibra monomodale 10 km. Successivamente, l’industria ha sviluppato le brevi distanze per ottimizzare la potenza e ridurre i costi. Il 400GbE beneficerà di una gamma completa e più rapida di disponibilità e di dimensioni più ridotte: dai primi 1 metro ai 10 km nel 2019 fino ai 100 km nel 2020.
Un altro fattore di costo è il raggiungimento delle economie di scala. Sfortunatamente, l’esistenza di entrambi i formati di incapsulamento dei moduli impedisce al mercato di sfruttare appieno gli altri vantaggi derivanti dalla coerenza. La produzione snella è essenziale per le economie di scala, poiché la domanda guida la produzione e quindi i costi. Pertanto, la chiave è la linea di produzione condivisa e i grandi ecosistemi con dozzine di aziende trarranno vantaggio dalla standardizzazione. L'ecosistema comprende sviluppatori di apparecchiature di produzione, apparecchiature di prova, strumenti di progettazione software, connettori e gabbie, soluzioni termiche, apparecchiature di conformità e certificazione. Date le aspettative iniziali e la rapida crescita del 400GbE, è importante raggiungere rapidamente la comunanza.
Perché la compatibilità con le versioni precedenti è così importante?
Negli ultimi dieci anni, il rapporto tra i costi tra piattaforme mainframe e dispositivi ottici si è spostato in modo significativo verso i dispositivi ottici, una tendenza che non potrà che accelerare con l’arrivo del 400GbE. La compatibilità tra le generazioni aiuta a compensare questa tendenza. Entro la fine del 2019 verranno implementati oltre 24 milioni di moduli QSFP, con un investimento di oltre 8 miliardi di dollari. Anche con l'introduzione del 400GbE, la domanda per il QSFP 100GbE continuerà a crescere fortemente, grazie all'emergere di server 100GbE e all'aumento della larghezza di banda sulla rete per aziende e fornitori di servizi.
Non è sufficiente aggiungere nuovi dispositivi e funzionare più velocemente sulla stessa rete; devono essere considerati molteplici aspetti della compatibilità con le versioni precedenti, incluso il riutilizzo dei moduli esistenti e l'investimento continuo nel 100GbE. Pertanto, è possibile implementare solo nuove porte che supportano i moduli esistenti. In secondo luogo, i vantaggi in termini di costo, consumo energetico e ingombro derivanti dall'implementazione dei router e degli switch più recenti sono antecedenti alla necessità della funzionalità 400GbE. Ciò consente agli operatori di prepararsi per la crescita futura e di beneficiare del nuovo hardware senza dover investire immediatamente nell'ottica 400GbE di prima generazione. Infine, è necessario proteggere gli investimenti in router e switch installati compatibili con l'architettura di raffreddamento (ad esempio, dall'alto verso il basso o da un lato all'altro). QSFP-DD risolve questo problema separando moduli e radiatori, consentendo di personalizzare il sistema host secondo necessità.
Ove possibile, la nuova generazione dovrebbe cercare di mantenere la compatibilità con le versioni precedenti. Estendere la compatibilità alla terza o addirittura alla quarta generazione è tecnicamente impegnativo, ma anche prezioso. La decisione di bilanciare la protezione degli investimenti con i nuovi requisiti non è mai semplice. In questione nel 2017 e nel 2018 c’è la necessità di conversioni di moduli incapsulati a 400GbE, 800GbE e velocità ancora più elevate. È generalmente accettato che le conversioni del modulo incapsulato debbano essere effettuate quando assolutamente necessarie a causa di problemi tecnici o di costi. Raggiungere la protezione degli investimenti, un’alta densità e una gamma completa di capacità richiede rischi, ma QSFP-DD può affrontare tutto questo, consentendo al settore di andare avanti con economie di scala.
Sfide e soluzioni QSFP-DD
La compatibilità con le versioni precedenti con QSFP-DD richiede di affrontare una serie di sfide, tra cui dimensioni e layout dei componenti, raffreddamento del modulo e del sistema e connettori elettrici che supportano quattro e otto canali utilizzando SerDes 56G. Questi fattori sono correlati e richiedono la considerazione di altri componenti del sistema, come gli ASIC ad alta potenza. Naturalmente, queste sfide meccaniche sono più facili da risolvere per i nuovi tipi di moduli che interrompono la compatibilità con le generazioni precedenti.
Una delle sfide tecniche più evidenti è il raffreddamento. Si prevede che il PMD iniziale da 400 GbE richieda 12 W, mentre il QSFP28 supporta solo circa 4 W, quindi è comprensibile il motivo per cui alcuni trovano difficile fare il salto. Il successo dell’obiettivo originale ha portato ad un’ambizione ancora maggiore. Il modulo coerente 400ZR/ZR+, previsto per il 2020, potrebbe richiedere 20 W. L'innovazione continua, compresi i sistemi e la progettazione della gabbia, ha dimostrato che ciò è possibile e l'organizzazione degli standard li approverà prestosoluzioni per QSFP-DD. Il passaggio finale nel supportare 20 W si ottiene aggiungendo un radiatore nella parte anteriore del modulo. Come mostrato nella figura seguente.
Un'altra considerazione termica è che i moduli ottici non possono essere considerati un sistema chiuso; devono operare nella progettazione complessiva di un router, switch o server. Rispetto all'OSFP, una caratteristica importante dei moduli QSFP è che il loro ingombro ridotto consente una maggiore aspirazione d'aria. Questo fattore avvantaggia il resto del sistema, come si può vedere chiaramente nella piattaforma che offre entrambe le opzioni.
Esistono molte altre aree in cui il raggiungimento della protezione degli investimenti nel QSFP-DD richiede una collaborazione su larga scala a livello di settore. Ogni passo nel percorso dal 40G al 400G rappresenta un progresso tecnologico significativo, molti dei quali un tempo erano ritenuti impossibili. In questa fase, le persone stanno iniziando ad affrontare queste sfide per le future velocità Ethernet, quindi dovremmo essere scettici riguardo all’argomentazione iniziale secondo cui il QSFP ripetitivo ha raggiunto il suo limite.
La gestione della catena di fornitura è diventata un fattore chiave di differenziazione per il successo dei fornitori di hardware e degli operatori di rete. Poiché l’implementazione di data center scalabili su larga scala è così ampia, la diversità dei fornitori è fondamentale e, se i due modelli di incapsulamento modulare persistono, ciascun fornitore potrebbe dover suddividere la gestione della catena di fornitura.
La migliore opzione di mercato è fornire in grandi quantità a costi accettabili. Una volta integrato con successo il modello di incapsulamento del modulo, l'implementazione 400GbE beneficerà dell'ottimizzazione di tutti i contributori e dei molteplici concorrenti del fornitore. Non possiamo ripetere le lezioni della PCP4 solo per perseguire un’ingiustificata riduzione del rischio a breve termine.
Conclusione
Il lancio del 400GbE inizierà nel 2019 e aumenterà rapidamente. Il dibattito sulla forma del packaging dei moduli ottici è in gran parte terminato e se il fornitore del sistema abbia scelto QSFP-DD o entrambi, l'attenzione si è ora spostata sulle velocità future. Nel lungo periodo, il 400GbE sceglierà principalmente QSFP-DD. Man mano che il settore continua a integrare QSFP-DD, emergeranno economie di scala e il 400GbE raggiungerà il suo pieno potenziale.
