Utiliser des interconnexions optiques pour optimiser les performances des data centers

Le besoin d'interconnexions fibre optique robustes, haute vitesse et basse consommation ne cesse de croître pour répondre à la demande de communications fiables et à faible latence dans les clouds et autres data centers. Les émetteurs-récepteurs fibre optique peuvent être optimisés pour répondre aux besoins spécifiques des data centers pour des vitesses de transmission jusqu'à 400 gigabits/seconde (G). Les normes de module importantes pour les communications fibre optique dans les data centers incluent SFP (Small Form Factor Pluggable), SFP+ et QSFP (Quad Small Form-Factor Pluggable). L'une des différences entre SFP, SFP+ et QSFP est la vitesse de transmission nominale. Mais il ne s'agit là que de l'un des facteurs à considérer lors du choix d'un émetteur-récepteur. La consommation d'énergie et la gestion thermique, la distance de transmission requise, la plage de températures de fonctionnement, les diagnostics intégrés et d'autres facteurs doivent être pris en compte. De plus, les ingénieurs réseau ont besoin d'un moyen efficace de tester la portée de transmission des émetteurs-récepteurs optiques et la sensibilité des récepteurs.

Cet article passe d'abord en revue les éléments importants à prendre en compte lors du choix d'un émetteur-récepteur fibre optique, puis compare les options d'interfaces matérielles offertes par les technologies SFP, SFP+, QSFP et QSFP-DD (double densité) et présente des modules d'émetteurs-récepteurs d'Intel Silicon Photonics, II-VI et Cisco Systems. Il conclut par un examen des tests des dispositifs fibre optique, notamment un module de bouclage de ColorChip pour les dispositifs 400 G et une carte d'évaluation de Multilane pour les émetteurs-récepteurs 800 G nouvelle génération.

Monomode ou multimode

Les fibres optiques pour les communications de données sont constituées d'un cœur en verre entouré d'une gaine en verre, chacun présentant des indices de réfraction différents. Les fibres multimodes (MM) typiques ont un cœur de 50 μm et fonctionnent avec des longueurs d'onde de 750 nm à 850 nm, tandis qu'une fibre monomode (SM) a un cœur de 9 μm et fonctionne généralement avec des longueurs d'onde de 1310 nm à 1550 nm. Dans le cas des fibres MM, la longueur d'onde de la lumière est plus courte que la longueur d'onde de coupure, ce qui entraîne la propagation de plusieurs modes de lumière dans la fibre. Le cœur plus petit de la fibre SM ne peut propager qu'un seul mode pour une longueur d'onde donnée (Figure 1).

Figure 1 : Le cœur plus petit des fibres SM limite leur capacité à transmettre la lumière dans plusieurs modes. (Source de l'image : Cisco)

La dispersion modale et le bruit modal limitent la largeur de bande des fibres MM par rapport aux fibres SM qui ne sont pas soumises à ces effets. De plus, les fibres SM peuvent supporter des distances de transmission beaucoup plus longues que les fibres MM. La transmission optique des données est réalisée en utilisant une longueur d'onde différente pour chaque direction de la communication. Par exemple, un ensemble d'émetteurs-récepteurs optiques utilise une combinaison de longueurs d'onde de 1330 nm et 1270 nm. L'un des émetteurs-récepteurs transmet un signal de 1330 nm et reçoit un signal de 1270 nm, tandis que l'autre émetteur-récepteur transmet un signal de 1270 nm et reçoit un signal de 1330 nm (Figure 2).

Figure 2 : Les émetteurs-récepteurs optiques utilisent différentes longueurs d'onde pour la transmission et la réception des données. (Source de l'image : Cisco)

Coûts énergétiques et thermiques

Les exploitants de data centers sont affectés par les coûts énergétiques et thermiques. Les paires torsadées non blindées (UTP) utilisées pour le câblage des communications de données sont certes peu coûteuses, mais un émetteur-récepteur UTP peut consommer environ 5 W d'énergie contre 1 W ou moins pour un émetteur-récepteur fibre optique.

La chaleur supplémentaire générée par les émetteurs-récepteurs UTP doit être évacuée du data center, ce qui multiplie par près de dix l'augmentation du coût énergétique global. À l'exception des très courtes longueurs de câbles et des faibles débits de données, les émetteurs-récepteurs fibre optique sont presque toujours moins chers que les solutions UTP en termes de coûts d'exploitation sur la durée de vie totale.

Les câbles UTP présentent également un diamètre plus important que les câbles fibre. Ils peuvent être trop grands pour s'adapter à certains chemins de câbles installés sous le sol dans les data centers haute densité. En outre, pour les câbles Cat 6A transmettant à 10 G, la diaphonie entre les câbles UTP peut être difficile à gérer. La fibre MM utilise des émetteurs-récepteurs moins chers, mais le câblage est plus onéreux si des optiques parallèles sont utilisées pour des transmissions de 40 G ou 100 G. Comme les débits de données continuent d'augmenter, la fibre SM peut offrir la meilleure combinaison de basse consommation, de faible coût et de format compact.

Choix de la plage de températures

Les data centers se trouvent dans divers environnements, qu'il s'agisse d'installations dédiées ou d'armoires dans des bureaux, des entrepôts ou des usines. Les émetteurs-récepteurs fibre optique sont disponibles dans trois plages de températures standard pour répondre aux besoins d'environnements spécifiques :

• 0°C à +70°C — C-temp ou COM — Plage destinée aux environnements de data centers standard et commerciaux.
• -5°C à +85°C — E-temp ou EXT— Plage destinée à une utilisation dans des environnements plus difficiles.
• -40°C à +85°C — I-temp ou IND — Plage pour une utilisation dans les installations industrielles.

Un émetteur-récepteur optique typique est censé fonctionner avec un boîtier dont la température est environ 20 degrés supérieure à la température ambiante. Dans les environnements où la température ambiante est supérieure à +50°C ou inférieure à -20°C, des émetteurs-récepteurs répertoriés IND sont utilisés. Certaines applications nécessitent des émetteurs-récepteurs capables de démarrer à froid. Pendant le démarrage à froid, le réseau peut accéder à l'interface I²C et aux autres interfaces basse vitesse des émetteurs-récepteurs, mais le trafic de données ne commence qu'à partir d'une température de boîtier de -30°C. Pour garantir un fonctionnement réseau fiable, il est important de surveiller la température de fonctionnement des émetteurs-récepteurs fibre optique.

Surveillance optique numérique

La surveillance optique numérique (DOM), également appelée surveillance de diagnostic numérique (DDM), est définie dans la norme SFF-8472, qui fait partie de l'accord multi-source (MSA) ciblant la surveillance numérique des émetteurs-récepteurs fibre optique. Les fonctionnalités suivantes sont incluses :

• Température de fonctionnement du module de surveillance
• Tension de fonctionnement du module de surveillance
• Courant de fonctionnement du module de surveillance
• Surveillance de la puissance optique en émission et en réception
• Émission d'une alarme lorsque les paramètres dépassent les niveaux de sécurité
• Informations sur le fabricant du module disponibles sur demande

La surveillance DOM, telle que spécifiée par la norme SFF-8472, définit des conditions d'alarme ou des indicateurs d'alarme spécifiques. La surveillance DOM aide les administrateurs de réseau à surveiller les performances des modules et à identifier les modules qui doivent être remplacés avant qu'ils ne tombent en panne.

Jusqu'à 100 G, les modules d'émetteurs-récepteurs optiques sont gérés via une interface de commande I²C avec un système de commande à mappage mémoire basique, défini par la norme SFF-8636. Les modules à plus haute vitesse sont plus complexes à gérer en raison de l'inclusion d'interfaces PAM-4 qui nécessitent une égalisation complexe. La spécification CMIS (Common Management Interface Specification) a été développée pour remplacer ou compléter la norme SFF-8472/8636 dans les modules haute vitesse.

Facteurs de forme et schémas de modulation

Les émetteurs-récepteurs SFP sont disponibles pour les réseaux cuivre et fibre. L'utilisation de modules SFP permet d'équiper les ports de communication individuels de différents types d'émetteurs-récepteurs. L'interface électrique et le facteur de forme SFP sont spécifiés dans l'accord MSA. Un émetteur-récepteur SFP de base peut prendre en charge des débits de données jusqu'à 4 G pour Fibre Channel. La spécification SFP+ plus récente prend en charge jusqu'à 10 G, et la dernière spécification SFP28 prend en charge jusqu'à 25 G.

L'émetteur-récepteur QSFP standard, plus grand, prend en charge des vitesses de transmission quatre fois plus rapides que les unités SFP correspondantes. La variante QSFP28 délivre jusqu'à 100 G, tandis que le QSFP56 double ce chiffre à 200 G. Un émetteur-récepteur QSFP intègre quatre canaux d'émission et quatre canaux de réception, et « 28 » signifie que chaque canal (ou voie) peut prendre en charge des débits de données jusqu'à 28 G. Par conséquent, un QSFP28 peut prendre en charge une configuration 4 x 25 G (dérivation), 2 x 50 G (dérivation), ou 1 x 100 G selon l'émetteur-récepteur. Les ports QSFP étant plus grands que les ports SFP, des adaptateurs sont disponibles, permettant de placer un émetteur-récepteur SFP dans un port QSFP.

La dernière variante est QSFP-DD qui double le nombre d'interfaces par rapport à un module QSFP28 ordinaire. De plus, la nouvelle spécification inclut la prise en charge de PAM4 (Pulse Amplitude Modulation 4) qui peut délivrer 50 G, permettant de doubler la vitesse de transmission et de quadrupler la vitesse globale du port par rapport à un module QSFP28.

La modulation NRZ (non-retour à zéro) traditionnelle, utilisée dans les émetteurs-récepteurs fibre optique, module l'intensité de la lumière à deux niveaux. PAM utilise quatre niveaux d'intensité lumineuse pour coder deux bits dans chaque période d'impulsion optique au lieu d'un, ce qui permet de presque doubler les données dans la même largeur de bande (Figure 3).

Figure 3 : Les transmissions PAM4 plus complexes transfèrent beaucoup plus de données que NRZ. (Source de l'image : Cisco)

QSFP-DD pour grands data centers

Les concepteurs de data centers d'entreprise et de cloud à grande échelle peuvent se tourner vers l'émetteur-récepteur optique QSFP-DD SPTSHP3PMCDF d'Intel Silicon Photonics. Ce module a une capacité de transmission de 2 km, est spécifié pour un fonctionnement de 0°C à +70°C, et prend en charge les liaisons optiques 400 G sur fibre SM ou quatre liaisons optiques 100 G pour les applications de dérivation (Figure 4). Les fonctionnalités de cet émetteur-récepteur QSFP-DD incluent :

• Conformité à la spécification d'interface optique 4 x 100 G Lambda MSA et à la norme d'interface optique IEEE 400GBASE-DR4
• Conformité à la norme d'interface électrique IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8)
• Conformité à la norme d'interface de gestion CMIS avec diagnostic de module complet et contrôle via I²C

Figure 4 : Cet émetteur-récepteur QSFP-DD a une portée de 2 km. (Source de l'image : Intel)

SFP+ multimode

L'émetteur-récepteur optique SFP+ FTLF8538P5BCz de II-VI est doté de fonctions DDM intégrées et il est prévu pour une utilisation à un débit de données de 25 G sur fibre MM (Figure 5). Il est conçu pour fonctionner de 0°C à +70°C. Les autres fonctionnalités incluent :

• Émetteur VCSEL (laser à cavité verticale et à émission par la surface) de 850 nm
• Transmission de 100 m sur un câble 50/125 μm OM4, M5F MMF
• Transmission de 70 m sur un câble 50/125 μm OM3, M5E MMF
• Taux d'erreur sur les bits (TEB) 1E-12 sur 30 m avec câble OM3 et 40 m avec câble OM4
• Consommation maximum de 1 W

Figure 5 : Cet émetteur-récepteur SFP+ est répertorié pour 25 G et utilise une fibre MM. (Source de l'image : II-VI)

SFP monomode

Le SFP-10G-BXD-I et le SFP-10G-BXU-I de Cisco fonctionnent avec une fibre SM qui prend en charge des distances de transmission jusqu'à 10 km. Un SFP-10G-BXD-I est toujours connecté à un SFP-10G-BXU-I. Le SFP-10G-BXD-I transmet un canal de 1330 nm et reçoit un signal de 1270 nm, et le SFP-10G-BXU-I transmet à une longueur d'onde de 1270 nm et reçoit un signal de 1330 nm. Ces émetteurs-récepteurs incluent également des fonctions DOM qui surveillent les performances en temps réel.

Boucles pour les tests

Les techniciens et ingénieurs de réseau et de test peuvent utiliser des modules de bouclage et des boucles fibre optique pour tester la sensibilité des récepteurs et la capacité de transmission des équipements de réseaux optiques. ColorChip fournit un module de bouclage qui prend en charge des scénarios à usage intensif avec 2000 cycles entre -40°C et +85°C (Figure 6). Ce module de bouclage présente une consommation d'énergie multiple définie par logiciel pour émuler la puissance du module optique et des caractéristiques de perte d'insertion embarquées émulant le câblage réel pour 200/400 G Ethernet, Infiniband et Fibre Channel. La protection intégrée contre les surtensions réduit le risque d'endommager le dispositif testé. Les utilisations de ce module de bouclage incluent le test des ports, le test de déploiement sur le terrain et le dépannage de l'équipement.

Figure 6 : Ce module de bouclage est conçu pour tester les performances des émetteurs-récepteurs optiques. (Source de l'image : DigiKey)

Kit de développement QSFP 800 G

Pour les ingénieurs réseau qui se préparent à la prochaine génération d'émetteurs-récepteurs 800 G, Multilane propose le ML4062-MCB qui offre une plateforme efficace et conviviale pour programmer et tester les émetteurs-récepteurs QSFP-DD800 et les câbles optiques actifs (Figure 7). L'interface graphique prend en charge toutes les fonctionnalités définies par l'accord QSFP-DD MSA et simplifie le processus de configuration. Ce kit peut être utilisé pour simuler un environnement réel pour le test, la caractérisation et la fabrication de modules d'émetteurs-récepteurs QSFP-DD. Il est conforme aux spécifications OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 et OIF-CEI-56G-VSR-NRZ.

Figure 7 : Cette plateforme de développement est conçue pour une utilisation avec les émetteurs-récepteurs 800 G nouvelle génération. (Source de l'image : DigiKey)

Résumé

Les émetteurs-récepteurs fibre optique répondent aux besoins des ingénieurs réseau de data centers en matière de solutions compactes, haute vitesse et basse consommation. Ces émetteurs-récepteurs sont disponibles dans différents formats et dans trois plages de températures de fonctionnement standard, avec des fibres SM ou MM. Des modules de bouclage peuvent être utilisés pour valider les performances des éléments de réseau fibre optique. Des plateformes de développement sont disponibles pour explorer les capacités des émetteurs-récepteurs 800 G et préparer la voie pour la prochaine génération de réseaux fibre optique.