ตามปกติ IEEE ใช้ประโยชน์จากมาตรฐานที่มีอยู่เพื่อสร้างเส้นทางสู่ 400 Gbps คุณลักษณะและข้อ จำกัด ที่สำคัญของอัตราข้อมูลปัจจุบันคืออัตราแบบอนุกรมช่องทางเดียวที่สามารถทำได้ด้วยเทคโนโลยีไฟฟ้าในปัจจุบัน ด้วยมาตรฐานอีเธอร์เน็ต 100 Gbps ล่าสุดนั้นใช้เส้นทางคู่ขนานสี่ช่องทางที่ 25 Gbps นี่จึงเป็นจุดเริ่มต้นที่เป็นธรรมชาติสำหรับการพัฒนา 400 Gbps อย่างไรก็ตามวิธีการเพิ่มอัตราการส่งข้อมูลเป็น 50 Gbps นั้นชัดเจนสำหรับ 400 Gbps และด้วยการทำงานอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ได้ช่องรับแสง 100 Gbps การใช้ความสำเร็จใหม่เหล่านี้จะเป็นข้อได้เปรียบที่ดีสำหรับอีเธอร์เน็ต 400 Gbps

มีหลายวิธีในการบรรลุเป้าหมาย 400 Gbps ในขณะที่ยังคงพิจารณาถึงการแลกเปลี่ยนและความต้องการที่หลากหลายของอุตสาหกรรมเครือข่าย ด้วยมาตรฐาน 400 Gbps ที่ จำกัด สื่อฟิสิคัลให้มีเพียงมัลติโหมดและออปติคัลโหมดเดียวก็เป็นที่ชัดเจนว่าจำนวนเส้นใยในลิงก์จะเป็นปัญหาสำคัญ เส้นใยแบบขนานจำนวนมากเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นทางออกที่ยอมรับได้สำหรับการเชื่อมโยงระยะสั้นถึง 500 เมตร แต่ไม่ได้สำหรับความยาวของสายเคเบิลที่ยาวกว่า (2 ถึง 10 กม.) ซึ่งค่าใช้จ่ายสูงเกินไป อย่างไรก็ตามอัตราการรับส่งข้อมูล 400 Gbps ที่มีช่องทางคู่ขนานขนาด 16 x 25 Gbps จะต้องใช้ 32 เส้นใยต่อลิงค์สำหรับการส่งและรับ เมื่อพัฒนาชุดข้อมูลจำเพาะสำหรับ 400 Gbps กองกำลังงาน IEEE ได้ใช้เทคโนโลยีและวิธีการจำนวนมากเพื่อกำหนดวิธีการแก้ปัญหาที่คุ้มค่าที่ยอมรับได้สำหรับไฟเบอร์มัลติโหมดระยะสั้นและไฟเบอร์โหมดเดี่ยวระยะยาวโดยใช้เส้นใยจำนวนมาก และอัตราสาย นอกจากนี้ยังมีการระบุชุดของมาตรฐาน 200 Gbps ตามมาตรฐาน 400 Gbps ซึ่งเป็นเส้นทางการโยกย้ายที่ใช้งานได้จริงที่ 400 Gbps

มาตรฐาน 400 Gbps และ 200 Gbps

ด้วยอัตราเลน 50 Gbps เป็นพื้นฐานของการเข้าถึง 400 Gbps การตัดสินใจครั้งสำคัญครั้งแรกคือการเปลี่ยนรูปแบบการเข้ารหัสสัญญาณ จนถึงทุกวันนี้มาตรฐานอีเธอร์เน็ตทั้งหมดใช้วิธีการ 2 ระดับ Non-Return-to-Zero (NRZ) แบบง่ายสำหรับการเข้ารหัสสตรีมข้อมูลแบบไบนารี่เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่สามารถส่งผ่านได้ เพื่อให้ได้อัตราข้อมูลช่องทางที่สูงขึ้นจำเป็นต้องใช้รูปแบบการเข้ารหัสที่เรียกว่า Pulse Amplitude Modulation (PAM4) แบบ 4 ระดับซึ่งจะเพิ่มปริมาณข้อมูลที่ส่งในเวลาเดียวกันเป็นสองเท่าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

หากคุณนึกถึงข้อมูลไบนารีที่แทนด้วยสัญญาณที่มีแรงดันไฟฟ้าสองตัวหนึ่งแรงดันสำหรับ“ 0” และแรงดันไฟฟ้าอีกอันสำหรับ“ 1” นี่จะอธิบายวิธีการเข้ารหัส NRZ สำหรับการเข้ารหัส PAM4 สัญญาณมีระดับแรงดันไฟฟ้าสี่ระดับซึ่งเข้ารหัสสองบิตไบนารีต่อระดับแรงดัน วิธีการที่เรียกว่า“ การเข้ารหัสสีเทา” เป็นการรวมบิตที่สำคัญที่สุด (MSB) และบิตที่มีนัยสำคัญน้อยที่สุด (LSB) ในสตรีมข้อมูลเป็นหนึ่งในสี่ระดับแรงดันไฟฟ้า การเข้ารหัสสีเทาช่วยลดข้อผิดพลาดบิตในสัญญาณที่เกิดจากสัญญาณรบกวนของแรงดันไฟฟ้า เป็นการง่ายที่จะดูว่าบิตข้อมูลสองบิตที่แมปกับระดับแรงดันหนึ่งระดับสามารถเพิ่มข้อมูลเป็นสองเท่าในเวลาเดียวกัน

IEEE เสร็จสิ้นมาตรฐาน 802.3bs (IEEE Std 802.3bs-2017) สำหรับ 200 Gbps และ 400 Gbps Ethernet โดยใช้การเข้ารหัส PAM4 และช่องทางคู่ขนานหลายช่องทาง ข้อมูลจำเพาะครอบคลุมตัวเลือกมัลติไฟเบอร์และโหมดเส้นใยเดี่ยวที่ทำงานตั้งแต่ 70 ม. ถึง 10 กม. ตารางต่อไปนี้สรุปตัวแปร Ethernet PHY สำหรับ 400 Gbps และ 200 Gbps

ข้อกำหนด 400GBASE-SR16 รองรับ 16 มัลติไฟเบอร์ที่ 25 Gbps โดยใช้การเข้ารหัส NRZ ซึ่งหมายความว่าการส่งและรับเส้นใยรวมในลิงค์จะเท่ากับ 32 ตัวเลือก 400GBASE-DR4 รองรับความเร็วเลน 100 Gbps เหนือสี่โหมดเดี่ยวสี่เส้นใย แต่สามารถเข้าถึงได้เพียง 500 เมตร สายพันธุ์ดูเพล็กซ์ไฟเบอร์ 400GBASE-FR8 และ 400GBASE-LR8 ทั้งคู่ใช้ความยาวคลื่นมัลติเพล็กซ์ (WDM) ในการส่งแปดเลนเหนือแปดช่วงความยาวคลื่นที่แตกต่างกันบนเส้นใยโหมดเดี่ยวนานถึง 10 กม. โดยทั่วไปข้อกำหนด 200 Gbps จะตามมาสำหรับ 400 Gbps แต่ใช้สี่เลน 50 Gbps สำหรับหนึ่งหรือสี่โหมดเส้นใย

โมดูลและสายเคเบิลที่เสียบได้

ในการปรับใช้อุปกรณ์ที่รองรับมาตรฐานอีเธอร์เน็ต 400 Gbps ใหม่จำเป็นต้องมีโมดูลที่เสียบได้ใหม่ตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิลที่ชัดเจน พอร์ต 400GBASE-SR16 ต้องการตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิล 32 ไฟเบอร์และตัวแปร 400GBASE-DR4 ใช้อัตราการส่งสัญญาณไฟฟ้าที่สูงขึ้น 56 Gbps

ตัวเชื่อมต่อ QSFP28 100 Gbps ทั่วไปรองรับสี่เลน 25 Gbps พร้อมอัตราการส่งสัญญาณไฟฟ้า 28 Gbps นั่นคือแปดเส้นใยสำหรับการส่งและรับซึ่งรองรับโดย 12-fiber MPO (multi-fiber push-on) และสายเคเบิลที่ปัจจุบันใช้ 100 Gbps เห็นได้ชัดว่าตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิล MPO แบบ 12 ไฟเบอร์จะรองรับตัวแปร 400GBASE-DR4 และ 200GBASE-DR4 ในมาตรฐาน 802.3bs ตัวแปรอื่น ๆ ที่ใช้ไฟเบอร์เพียงสองตัวในลิงก์สามารถใช้ตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิลดูเพล็กซ์ LC ทั่วไป นั่นทำให้ MPO 32- ไฟเบอร์เป็นการพัฒนาใหม่สำหรับมาตรฐานอีเธอร์เน็ต 400 Gbps

ตัวเชื่อมต่อ MPO แบบ 12 พอร์ตจัดเรียงเส้นใยในแถวเดียวระหว่างพินการจัดตำแหน่งสองแบบ สำหรับ MPO 32- เส้นใยมี 16 แถวสองแถวซึ่งทำให้ตัวเชื่อมต่อใหม่เข้ากันไม่ได้กับ MPO 12 ไฟเบอร์ ดังนั้นตัวเชื่อมต่อ MPO แบบ 32 ไฟเบอร์จึงถูกระบุแตกต่างจาก MPO แบบ 12 ไฟเบอร์เพื่อหลีกเลี่ยงตัวรับส่งสัญญาณและสายเคเบิลที่เชื่อมต่ออย่างไม่ถูกต้อง

ด้วยการพัฒนาของการส่งสัญญาณที่เร็วขึ้น, ช่องทางมากขึ้นและเส้นใยมากขึ้น, ปัจจัยรูปแบบตัวรับส่งสัญญาณใหม่จำเป็นสำหรับอีเธอร์เน็ต 400 Gbps มีความท้าทายและการแลกเปลี่ยนที่ต้องพิจารณาเสมอเมื่อพยายามใส่ส่วนประกอบเพิ่มเติมที่กระจายพลังงานมากขึ้นเป็นโมดูลขนาดเล็ก เช่นเดียวกับมาตรฐานอีเธอร์เน็ตก่อนหน้านี้ฟอร์มแฟคเตอร์ตัวรับส่งสัญญาณแสงจำนวนหนึ่งได้เกิดสำหรับอีเธอร์เน็ต 400 Gbps:

• CFP8 - ฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดใหญ่ ความหนาแน่นของพอร์ตต่ำ การจัดการความร้อนที่ดี

• OSFP - ออกแบบมาสำหรับสัญญาณที่ดีที่สุดและประสิทธิภาพการระบายความร้อน ฟอร์มแฟกเตอร์ที่ไม่รองรับ

• QSFP-DD - QSFP“ ความหนาแน่นสองเท่า” ย้อนกลับเข้ากันได้กับ 100 GbpS และ 40 Gbps Ethernet ความหนาแน่นของพอร์ตสูง

• COBO - โมดูลออพติกออนบอร์ดซึ่งไม่ใช่ตัวรับส่งสัญญาณที่เสียบได้ ความหนาแน่นของพอร์ตสูงสุด

ขับเคลื่อนด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นของศูนย์ข้อมูลคลาวด์วิวัฒนาการของมาตรฐานอีเธอร์เน็ตได้มาถึงอัตราข้อมูลที่เหลือเชื่อที่ 400 Gbps การใช้รูปแบบการเข้ารหัสใหม่และอัตราการส่งสัญญาณที่สูงขึ้นมาตรฐานอีเธอร์เน็ต 400 Gbps จะทำเครื่องหมายแบ่งที่สำคัญจากมาตรฐานที่ผ่านมาและกำหนดเส้นทางสู่ความเร็วที่เร็วขึ้นในอนาคต มาตรฐาน 400 Gbps และ 200 Gbps ใหม่ประกอบด้วยมัลติไฟเบอร์และโหมดออพติคัลโหมดเดี่ยวที่ทำงานตั้งแต่ 70 ม. ถึง 10 กม. มาตรฐานดังกล่าวครอบคลุมการใช้งานระยะสั้นและระยะยาวที่คุ้มค่าและได้รับการสนับสนุนจากตัวรับส่งสัญญาณรูปแบบใหม่สายเคเบิลและตัวเชื่อมต่อจำนวนมาก

เมื่ออุปกรณ์ใหม่ 400 Gbps พร้อมใช้งานคุณสามารถคาดหวังว่าจะเห็นการปรับใช้อย่างรวดเร็วในศูนย์ข้อมูลการเข้าถึงผู้ให้บริการและเครือข่ายผู้ให้บริการทั่วโลก แบนด์วิดท์เสริมที่จำเป็นมากจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพเนื่องจากปริมาณการใช้เครือข่ายยังคงเพิ่มขึ้นทุกปี อย่างไรก็ตามการพัฒนาอีเธอร์เน็ตจะไม่หยุดเพียงแค่นั้น คณะทำงานอีเทอร์เน็ตใหม่กำลังมุ่งมั่นเพื่อความเร็วที่สูงขึ้นและรูปแบบกะทัดรัดที่ประหยัดซึ่งจะช่วยให้ทันต่อความต้องการของอุตสาหกรรมในอนาคต

จาก 400 Gbps ถึง 800 Gbps

รายงานที่เผยแพร่เมื่อเร็ว ๆ นี้โดยกลุ่ม Dell'Oro ระบุว่า 400 Gbps คาดว่าจะประกอบด้วย 20 เปอร์เซ็นต์ของรายได้จากการเปลี่ยนศูนย์ข้อมูลภายในปี 2563 ตามรายงานของกลุ่มวิจัยระบุว่าความเร็วที่สูงขึ้น - 100 Gbps, 200 Gbps, 400 Gbps และ 800 Gbps การคาดการณ์ทั้งหมดเพื่อผลักดันการเติบโตอย่างมีนัยสำคัญในอีกห้าปีข้างหน้า อาจไม่น่าแปลกใจที่ศูนย์ข้อมูลระบบคลาวด์คาดว่าจะมีบทบาทสำคัญในการเพิ่มความเร็วของเครือข่าย (จาก 100 Gbps ถึง 400 Gbps)

ในขณะเดียวกันรายงานตลาดของกลุ่ม 650 ยืนยันว่า 200 Gbps, 400 Gbps และ 800 Gbps จะจัดส่งทั้งหมดในห้าปีถัดไป - กับหลังคาดว่าจะเพิ่มขึ้นในช่วงต้นทศวรรษหน้า

“ คลื่นลูกแรกที่ 200 Gbps และ 400 Gbps จะเข้าสู่ตลาดในช่วงต้นปี 2561 เนื่องจากตลาดสวิตช์อีเธอร์เน็ตขยายจำนวนพอร์ตความเร็วเพียงสามปีนับตั้งแต่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีครั้งใหญ่ครั้งสุดท้าย” อลันเวคเคลผู้ก่อตั้งและนักวิเคราะห์เทคโนโลยีกล่าว 650 กลุ่ม “ ทั้ง 200 Gbps และ 400 Gbps จะโผล่ออกมาจาก 50 Gbps SerDes เทคโนโลยีที่ประกาศในปี 2560 นวัตกรรมก้าวที่รวดเร็วไม่เพียง แต่นำมาซึ่งการปรับปรุงเทคโนโลยีที่น่าประทับใจ แต่โดย Software Defined Networks (SDN) ซึ่งทำให้ระบบคลาวด์สามารถใช้ประโยชน์ การคำนวณและการสร้างเครือข่ายทรัพยากรในการกำจัด”

กำลังทดสอบ 400 Gbps, กำลังมองหา 1.6 Tbps

จากข้อมูลของ Ronen Isaac จาก Military Embedded Systems ขณะนี้อุตสาหกรรมกำลังทำการทดสอบและให้สัตยาบันเทคโนโลยีที่จะทำให้ความเร็วสูงถึง 400 Gbps ขึ้นไป

“ ระหว่างปี 2018 ถึง 2020 จะมีการทดสอบและรับรอง 50 Gbps และ 200 Gbps เซิร์ฟเวอร์ 25GbE หลายพันเซิร์ฟเวอร์และเซิร์ฟเวอร์ 50GbE ในศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่เช่นผู้ให้บริการคลาวด์จะช่วยขับเคลื่อนความต้องการ 400GbE ไปยังเครือข่ายในเขตเมือง (MAN) และเครือข่ายบริเวณกว้าง (WAN) "เขากล่าว “ ในอนาคตที่ไม่ไกลเกินไปการทดสอบจะเริ่มต้นที่ 200 Gbps, 8000 Gbps และความเร็วในการส่งข้อมูลที่น่าประหลาดใจที่ 1 Tbps และ 1.6 Tbps ด้วยการทดสอบที่คาดหวังและให้สัตยาบันมาตรฐานภายในปี 2563”

ข้อสรุป

อีเธอร์เน็ตกำลังเปลี่ยนจาก 40Gbps เป็น 100Gbps เป็น 400Gbps อย่างรวดเร็วซึ่งจะช่วยกระตุ้นความคิดริเริ่มและการพัฒนา SerDes ใหม่จำนวนมาก แท้จริงแล้ว 25Gbps SerDes ทำหน้าที่เป็นตัวเปิดกุญแจสำหรับ 100Gbps Ethernet โดยอุตสาหกรรมคาดว่าจะเริ่มใช้ 50Gbps SerDes สำหรับ 400Gbps Ethernet ก่อนที่จะเปลี่ยนมาใช้เทคโนโลยี SerDes 100Gbps

ในขณะเดียวกันเทคโนโลยี SerDes เปลี่ยนจาก NRZ เป็น PAM4 เนื่องจากเร่งจาก 25Gbps เป็น 50Gbps สิ่งนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางสถาปัตยกรรมจำนวนมากรวมถึงการแทนที่อะนาล็อกดั้งเดิมด้วย ADC + DSP เพื่อช่วยให้บรรลุเป้าหมายด้านประสิทธิภาพและรักษาซองจดหมายพลังงาน / พื้นที่ที่คล้ายกัน