Trong lịch sử, giao diện Ethernet tốc độ cao ban đầu được điều khiển bởi các yêu cầu về mật độ và hiệu suất phổ của các nhà cung cấp dịch vụ. Các mô-đun quang bắt đầu lớn - thường là một thẻ mỗi lần. Qua nhiều thế hệ, mỗi vận tốc đã được hợp nhất thành một trong hai gói: SFP và QSFP. Và khi nhu cầu tăng lên đáng kể thì chi phí và điện năng tiêu thụ cũng giảm dần.
Tốc độ tăng trưởng trong 5 năm của 400GbE không có cáp đồng và AOC cũng được dự đoán là nhanh hơn 20 lần so với 100GbE (xem hình bên dưới: so sánh 5 năm đầu tiên của 100GbE và 400GbE). Cơ hội này đang thúc đẩy đầu tư vào ngành chưa từng có của các công ty đã thành lập và các công ty khởi nghiệp.
400GbEtrên làn đường nhanh
10GbE mất mười năm để phát triển từ XENPAK sang SFP+. 100GbE đã triển khai CFP, CPAK và CFP2, sau đó chuyển sang QSFP28 trong vòng 5 năm. 100GbE cũng mắc phải những sai lầm của CFP4, nhưng cũng học được một bài học quan trọng rằng quang học phải được đồng bộ hóa với các mục tiêu khác cho nền tảng, mạng và doanh nghiệp. Nếu không thì thật lãng phí thời gian và tiền bạc. Kích thước của CFP4 rất hấp dẫn nhưng nó phá vỡ khả năng tương thích ngược và không đáp ứng được cả ba mục tiêu.
Đạt được công suất cao và chi phí thấp cho 400GbE là rất quan trọng đối với các nhà khai thác mạng, nhà sản xuất chip, nhà cung cấp quang học, nhà cung cấp bộ định tuyến và chuyển mạch cũng như nhiều thành viên khác trong hệ sinh thái quang học. Đáng chú ý, một trong những lý do giúp triển khai thành công 400GbE là sự hội tụ về tốc độ và PMD giữa các thành viên IEEE, OIF và giao thức đa nguồn (MSA). Thật không may, ban đầu ngành này có hai mô hình đóng gói có thể cắm được, dẫn đến việc phải tái phát triển và sản xuất. Sự trùng lặp này có thể làm giảm khả năng mở rộng các giải pháp chung của thị trường.
Nhược điểm của hai chế độ đóng gói bộ thu phát
Các yếu tố chính giúp ra mắt thành công 400GbE bao gồm chi phí, bảo vệ đầu tư và chuỗi cung ứng. Khi chi phí là quan trọng, điều quan trọng là không xây dựng quá mức chức năng. Tiêu chuẩn 100GbE ban đầu dựa trên sợi quang đơn mode 10 km. Sau đó, ngành công nghiệp này đã phát triển những quãng đường ngắn để tối ưu hóa năng lượng và giảm chi phí. 400GbE sẽ được hưởng lợi từ phạm vi khả dụng đầy đủ nhanh hơn và kích thước nhỏ hơn - từ 1m ban đầu đến 10km vào năm 2019 đến 100km vào năm 2020.
Một động lực chi phí khác là đạt được tính kinh tế nhờ quy mô. Thật không may, sự tồn tại của cả hai định dạng đóng gói mô-đun đã ngăn cản thị trường tận dụng tối đa các lợi ích khác của tính nhất quán. Sản xuất tinh gọn là điều cần thiết để đạt được tính kinh tế theo quy mô, vì nhu cầu thúc đẩy sản lượng và do đó chi phí. Do đó, dây chuyền sản xuất chung là then chốt và các hệ sinh thái lớn với hàng chục công ty sẽ được hưởng lợi từ việc tiêu chuẩn hóa. Hệ sinh thái bao gồm các nhà phát triển thiết bị sản xuất, thiết bị kiểm tra, công cụ thiết kế phần mềm, đầu nối và lồng, giải pháp nhiệt, thiết bị tuân thủ và chứng nhận. Với những kỳ vọng ban đầu và sự tăng trưởng nhanh chóng của 400GbE, điều quan trọng là phải nhanh chóng đạt được sự phổ biến.
Tại sao khả năng tương thích ngược lại quan trọng đến vậy?
Trong thập kỷ qua, tỷ lệ chi phí giữa nền tảng máy tính lớn và thiết bị quang học đã thay đổi đáng kể đối với các thiết bị quang học, xu hướng này sẽ chỉ tăng tốc khi có sự xuất hiện của 400GbE. Khả năng tương thích giữa các thế hệ giúp bù đắp xu hướng này. Đến cuối năm 2019, hơn 24 triệu mô-đun QSFP sẽ được triển khai, với khoản đầu tư hơn 8 tỷ USD. Ngay cả khi 400GbE được giới thiệu, nhu cầu về QSFP 100GbE sẽ tiếp tục tăng mạnh nhờ sự xuất hiện của máy chủ 100GbE và băng thông mạng tăng lên cho các doanh nghiệp và nhà cung cấp dịch vụ.
Việc thêm thiết bị mới và chạy nhanh hơn trên cùng một mạng là chưa đủ; phải xem xét nhiều khía cạnh của khả năng tương thích ngược, bao gồm việc tái sử dụng các mô-đun hiện có và đầu tư liên tục vào 100GbE. Do đó, chỉ những cổng mới hỗ trợ các mô-đun hiện có mới có thể được triển khai. Thứ hai, lợi thế về chi phí, công suất và diện tích của việc triển khai các bộ định tuyến và chuyển mạch mới nhất có trước nhu cầu về chức năng 400GbE. Điều này cho phép các nhà khai thác chuẩn bị cho sự phát triển trong tương lai và hưởng lợi từ phần cứng mới mà không cần phải đầu tư ngay vào hệ thống quang học 400GbE thế hệ đầu tiên. Cuối cùng, cần phải bảo vệ các khoản đầu tư vào bộ định tuyến và bộ chuyển mạch được cài đặt tương thích với kiến trúc làm mát (ví dụ: từ trên xuống dưới hoặc từ bên này sang bên kia). QSFP-DD giải quyết vấn đề này bằng cách tách các mô-đun và bộ tản nhiệt, cho phép tùy chỉnh hệ thống máy chủ khi cần thiết.
Nếu có thể, thế hệ mới nên cố gắng duy trì khả năng tương thích ngược. Việc mở rộng khả năng tương thích thế hệ thứ ba hoặc thậm chí thế hệ thứ tư đòi hỏi khắt khe về mặt kỹ thuật nhưng cũng có giá trị. Quyết định cân bằng giữa bảo vệ đầu tư với các yêu cầu mới không bao giờ đơn giản. Vấn đề xảy ra trong năm 2017 và 2018 là nhu cầu chuyển đổi dạng đóng gói ở tốc độ 400GbE, 800GbE và thậm chí cao hơn. Người ta thường chấp nhận rằng nên thực hiện chuyển đổi dạng đóng gói khi thực sự cần thiết do vấn đề kỹ thuật hoặc chi phí. Để đạt được sự bảo vệ đầu tư, mật độ cao và đầy đủ các khả năng đòi hỏi phải có rủi ro, nhưng QSFP-DD có thể giải quyết tất cả những điều này, cho phép ngành tiếp tục phát triển với quy mô kinh tế.
Những thách thức và giải pháp QSFP-DD
Khả năng tương thích ngược với QSFP-DD yêu cầu giải quyết nhiều thách thức khác nhau, bao gồm kích thước và bố cục thành phần, làm mát mô-đun và hệ thống cũng như các đầu nối điện hỗ trợ bốn và tám kênh sử dụng 56G SerDes. Các yếu tố này có liên quan với nhau và cần phải xem xét đến các thành phần hệ thống khác, chẳng hạn như ASIC công suất cao. Tất nhiên, những thách thức cơ học này sẽ dễ giải quyết hơn đối với các loại mô-đun mới không tương thích với các thế hệ trước.
Một trong những thách thức kỹ thuật rõ ràng nhất là làm mát. PMD 400GbE ban đầu dự kiến sẽ yêu cầu 12W, trong khi QSFP28 chỉ hỗ trợ khoảng 4W, vì vậy có thể hiểu được lý do tại sao một số người cảm thấy khó thực hiện bước nhảy vọt. Sự thành công của mục tiêu ban đầu đã thúc đẩy tham vọng lớn hơn. Mô-đun kết hợp 400ZR/ZR+, được lên kế hoạch cho năm 2020, có thể yêu cầu 20W. Sự đổi mới liên tục, bao gồm cả hệ thống và thiết kế lồng, đã cho thấy điều này là có thể thực hiện được và tổ chức tiêu chuẩn sẽ sớm phê duyệt những điều nàygiải pháp cho QSFP-DD. Bước cuối cùng trong việc hỗ trợ 20W được thực hiện bằng cách thêm bộ tản nhiệt vào phía trước mô-đun. Như thể hiện trong hình dưới đây.
Một vấn đề cần cân nhắc khác về nhiệt là các mô-đun quang học không thể được coi là một hệ thống khép kín; chúng phải hoạt động theo thiết kế tổng thể của bộ định tuyến, bộ chuyển mạch hoặc máy chủ. So với OSFP, một tính năng quan trọng của mô-đun QSFP là dấu chân nhỏ hơn của chúng cho phép lượng khí nạp lớn hơn. Yếu tố này mang lại lợi ích cho phần còn lại của hệ thống, như có thể thấy rõ trong nền tảng cung cấp cả hai tùy chọn.
Có nhiều lĩnh vực khác để đạt được sự bảo vệ đầu tư trong QSFP-DD đòi hỏi sự hợp tác trên toàn ngành trên quy mô lớn. Mỗi bước trong hành trình từ 40G đến 400G đều thể hiện sự tiến bộ công nghệ đáng kể, nhiều bước trong số đó từng được cho là không thể thực hiện được. Ở giai đoạn này, mọi người đang bắt đầu giải quyết những thách thức này đối với tốc độ Ethernet trong tương lai, vì vậy chúng ta nên nghi ngờ lập luận ban đầu rằng QSFP lặp đi lặp lại đã đạt đến giới hạn.
Quản lý chuỗi cung ứng đã trở thành yếu tố tạo nên sự khác biệt quan trọng cho sự thành công của các nhà cung cấp phần cứng và nhà khai thác mạng. Do việc triển khai các trung tâm dữ liệu có thể mở rộng quy mô lớn là rất lớn nên tính đa dạng của nhà cung cấp là rất quan trọng và nếu hai mô hình đóng gói mô-đun vẫn tiếp tục tồn tại, mỗi nhà cung cấp có thể phải tách riêng việc quản lý chuỗi cung ứng.
Lựa chọn tốt nhất trên thị trường là cung cấp số lượng lớn với chi phí chấp nhận được. Sau khi tích hợp thành công mẫu đóng gói mô-đun, việc triển khai 400GbE sẽ được hưởng lợi từ việc tối ưu hóa tất cả những người đóng góp và nhiều đối thủ cạnh tranh trong nhà cung cấp. Chúng ta không thể lặp lại bài học của CFP4 chỉ để theo đuổi việc giảm thiểu rủi ro ngắn hạn một cách không chính đáng.
Phần kết luận
Việc ra mắt 400GbE bắt đầu vào năm 2019 và sẽ tăng nhanh chóng. Cuộc tranh luận về hình thức đóng gói mô-đun quang phần lớn đã kết thúc và liệu nhà cung cấp hệ thống đã chọn QSFP-DD hay cả hai, trọng tâm hiện đã chuyển sang tốc độ trong tương lai. Về lâu dài, 400GbE sẽ chủ yếu chọn QSFP-DD. Khi ngành tiếp tục tích hợp QSFP-DD, tính kinh tế theo quy mô sẽ xuất hiện và 400GbE sẽ phát huy hết tiềm năng của nó.
