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800G光通訊應用市場趨勢與規格統整

已更新:2023年9月25日


此篇文章統整了以下的參考資料,彙整出一份800G光通訊應用市場趨勢與規格近況報告



內容涵蓋

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800G 市場應用趨勢


雲端運算,AR/VR,AI,5G應用的普及使得Data Centor的需求越來越強烈,該圖顯示從2017~2021年對於interconnect的頻寬需求成長了約48 %。當時的估計,400G的光模塊會在2020年開始應用,而800G則是會在約2022-2023開始被採用。其中之前一直被討論的Co-package的技術LightCounting Market Research的CEO,Vladimir Kozlov認為在800G的時代傳統的光模塊仍就會是主流,而Co-package的技術則是將被開始啟用。


在2021年開始有800G的QSFP-DD/OSFP的模組的樣品產生。SerDes的技術方面,100G SerDes將會在2021導入,2023開始成為主流。至於200G SerDes的技術門檻更高更複雜,因此可能100G SerDes會有較長時間的存在的可能性




Lightcounting在2021七月發布了最新的Forecast。前 5 大相關公司:阿里巴巴、亞馬遜、Facebook、谷歌和微軟 2020 年在以太網收發器上的支出為 14 億美元,到 2026 年,它們的支出將增加到 30 億美元以上。

  • 到 2026 年底,800G 收發器將主導整個DC市場。

  • Google 計劃在 4-5 年後開始部署 1.6T 模塊,不包括在此預測中。

  • 此內容包含了Co-Package Optics的封裝,它將在 2024-2026 年開始取代數據中心中的可插拔光學器件。


有幾個因素導致Forecast增加:

  1. 根據Google在 OFC 2021 上分享的最新數據,人工智能應用程序驅動的數據流量增長前景增加。

  2. 800G 光模塊的供應商在研發上有不錯的進展

  3. 數據中心集對於這頻寬的需求高於預期


Ethernet的交換機IC也將在2021-2022發布25.6 Tb/s的prototype


Data Center的應用,過去的400G和100G將分別被800G與200G取代。而光模塊的form factor仍就是QSFP-DD/OSFP。


AI Cluster的數據中心,應用架構的層數沒那麼多。原本的200G/400G則會被400G/800G取代。


8x100G 短距離應用場景


關於短距離 Short Reach (SR)的使用場景,一般長度的要求為1~100M,但在800G的高頻寬下,多模的技術可能只能支援到最長30~50M的傳輸距離。


主要限制原因主要是VCSEL本身的頻寬以及多模光纖的色散(Dispersion)。在此架構下若要達到100M的需求,是有機會靠增加DSP的效能達到,但如此可能造成:

  • 高成本

  • 高延遲

  • 高功耗

的缺點。因此800G MSA協會建議在800G-SR8的規格下,使用過去在500M以上才會用到的單模(Parallel Single Mode, PSM )技術



考慮到價格與功耗,單模的技術應該會SR短距離傳輸的最佳解。其中在Tx傳輸端雷射的技術方面,DML,EML,或是矽光子都是可能的方案



目前看起來EML和SiPh較為成熟的技術在BER的特性上有較佳的表現。DML的方案雖然有較差的BER表現,仍就有機會靠著DSP強大的equalization進行補償,但可能造成更高的功耗與成本



8x100G 主動元件發展近況

Lumemtum的100G PAM4 DML已經被驗證在2km的傳遞距離下,從25~85 degC的光消逝比ER仍就可以達到3.0 dB以上的水準


AOI則是驗證其DML經過5-taps feed forward equalizer (FFE) filter後的TDECQ= 2.54 dB



華為則已經在module端demo了100G/lane的眼圖,TDECQ可達3.0 dB的水準



4x200G 長距離應用場景

在FR的使用場景中,200G/lane PAM4的信號傳遞將是最重要的技術,而該技術也將可被應用在未來1.6T的互聯平台。為達到此規格,使用更先進的低奈米製程達到更低功耗將是重要的關鍵


CWDM4的Power Budget需考慮

  1. Link Insertion loss

  2. Multipath interference (MPI)

  3. Differential group delay (DGD)

  4. Transmitter dispersion penalty (TDP)



根據IEEE的規範模型MPI和DGD大約在0.4 dB。TDP方面考量到傳輸速率多一倍,合理數值應該在3.9 dB左右。綜合以上,800G MSA認為Rx Sensitility的數值落在-5 dBm左右。而為了達到此規格,更強大的FEC必須被導入


800G FR4主要是使用CWDM4的技術,可以選擇2xCWDM4,而在此條件下必須有八組的Laser和PD,因此相對的成本較高。若是CWDM4,使用的主動元件少,價格有機會降低,但相對了單通道需要支持200G的傳輸,因此頻寬的要求會多一倍。另外Coherent的技術當然也可以涵蓋到2km的應用,但個人認為無論是功耗或是價格都過高,不敷使用


4x200G 信號調製方式的選擇

為了增加頻寬,PAM4的技術在400G已經成功被導入,該技術可以在相同頻寬限制下提供多一倍的資料傳輸。因此PAM6更高階的調製也將被考慮,但目前技術尚未成熟,看起來PAM4仍是未來的主流



在800G FR4的規格下,CWDM4 4x200G的技術應該是最Cost-effective的選擇。而112 Gbaud的主動元件開發近況方面:

  • Sumitomo的PD和EML的S21接可以達到112 Gbaud的頻寬需求。

  • 50 GHz的RF-IC也獲得初步的驗證

因此在未來技術的演進後,200G/lane的傳遞是有機會達成的


800G MSA透過數學預算,在BER=2E-3的目標規格,認為在800G的TDECQ規格應該定義為3.9 dB (400G 為3.4 dB)


TDECQ的計算中,更高TAP number的FFE必須導入

另外因為有更多的Noise,建議Tx的光強要上調0.5 dB補償DGD的損失。

Rx的Sensitivity則是因為FEC功能上調,目前建議事先不改變




4x200G的封裝方式評估

為了達到更高的頻寬(56 GHz),Solution A和B的封裝方案也被提出。

  • Solution A是傳統的封裝方式,而S則是將Driver使用Flip Chip的方式封裝。

  • Solution B理論上有較佳的S21曲線,而Solution A則是有機會在Driver端的匹配上作進一步的調整。因此這兩種封裝方式都是有機會達到56 GHz的頻寬的。


4x200G FEC方案

為了成功修正2E-3的誤碼率,FEC的技術也必須更進,目前有兩種方案

  • 方案1:在光模塊端使用新的FEC技術

  • 方案2:考慮整體的系統導入全新的FEC技術



800G DR應用場景的可能

總和以上,根據SR與FR的場景。對於DR (500 m)的應用可能如下。

  • PSM8, 100G/lane:延續100m的傳遞,達到500m的距離是有可能的。

  • 2xCWDM4, 100G/lane

  • PSM4, 200G/lane

  • CWDM4, 200G/lane:考量到未來1.6T的應用、技術的成熟、與元件和光纖的比例。此方案為800G MSA最偏好的方案,但目前功耗與價格上仍有空間需要努力

簡單的說,越高的頻率需求,長距離的規格需求的產品越有機會涵蓋更短距離的規格



IEEE協會200G~1.6T於DAC與光模塊規格的近況

可以看出50 Gbps/lane的規格基本上已經很完備了,而100 Gbps/lane則是還在制定中。Ethernet 1.6 Tb/s雖然距離應用還有一段時間,但IEEE也已經開始評估相關的規格。


藍字= 已標準化

紅字= 規格制訂中

* 注意:截至發佈時,可能會發生變化


800G光模塊可能的選擇

下表為根據800G MSA與IEEE規範,於800G光模塊可能的選擇。基本上和過往的400G雷同,最大的差異在於100m以下的傳遞是單模或是多模的技術仍然是個問號。



QSFP-DD800 Form Factor的更新

因應更高的功耗需要有更佳的散熱途徑,在QSFP-DD800中多了Type 2B的module,差異主要在於Heat Sink的長度增加了


光接頭介面的更新

也因為各種不同的封裝技術,光接頭的介面也更加的琳琅滿目


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2 Comments


Sylvia Li
Sylvia Li
Sep 26, 2023

您好 請問IEEE MSA 400G和800G的規範要在哪裡可以下載確認呢

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drshawnchang
drshawnchang
Sep 26, 2023
Replying to

您好如果是MSA的話可以參考QSFP-DD或是OSFP MSA


http://www.qsfp-dd.com

https://osfpmsa.org

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