Bilgi

1.400G, gerçekten burada

Kısa bir süre önce, Mart 2024'te China Mobile, önemli bir dönüm noktası olayı olarak kabul edilen dünyanın ilk 400G tam optik eyaletler arası (Pekin İç Moğolistan) ana hattını açtı.

Omurga ağının 400G'ye yükseltilmesinin nedeni açıktır.

Bir yandan, konut sakinlerinin dijital yaşamının (yüksek çözünürlüklü video, telekonferans, çevrimiçi canlı yayın, çevrimiçi oyunlar vb.) getirdiği tüketici İnternet trafiğindeki büyüme halen devam ediyor.

Öte yandan, tüm sektör dijital dönüşümü teşvik ediyor ve sektördeki dijital sistemlerden gelen trafikteki artış, omurga ağları üzerindeki baskıyı yoğunlaştırdı.

Omurga ağı üzerindeki baskının ani artması da önemli bir nedenden kaynaklanıyor: Yapay zekanın patlaması.

AIGC büyük modelinin yükselişinden sonra bir yapay zeka dalgasını tetikledi. Yapay zeka işinin ihtiyaçlarını karşılamak için çok sayıda akıllı bilgi işlem merkezinin inşa edilmesi gerekiyor. Model milyarlarca parametreden trilyonlarca parametreye evrildi ve GPU bilgi işlem güç kümesi de bin kartlı kümeden on bin kartlı kümeye, hatta yüz bin kartlı kümeye geçti.

GPU bilgi işlem güç kümesi aslında InfiniBand ve RoCEv2 gibi yüksek performanslı ağlar aracılığıyla birbirine bağlanan bir dizi devasa GPU kartından (GPU sunucuları) oluşur. Eğitim verimliliğini ve maliyetini doğrudan etkileyen ağ performansı ve güvenilirliği açısından son derece yüksek gereksinimlere sahiptir.

Yalnızca GPU sunucularının ağ bağlantı noktası hızı açısından bakıldığında, zaten 400G'lik tek bir bağlantı noktasından başlatılmıştır ve hatta 800G veya daha yüksek bir hız gerektirir.

GPU sunucularının ağ bağlantı noktaları

Daha önce GPU bilgi işlem güç kümeleri DCN (Veri Merkezi Ağı) kategorisine aitti. Artık küme boyutunun sürekli genişlemesiyle birlikte, dağıtılmış akıllı bilgi işlem merkezlerini model eğitimine uygulamayı düşünmeye başladık.

Yani eğitim için farklı lokasyonlardaki birçok akıllı bilgi işlem merkezi bir arada kullanılacak.

Bu durum DCI (Veri Merkezi Arabağlantı Ağı) için daha yüksek gereksinimleri ortaya koyuyor ve optik iletişim omurga ağının teknik performans açısından bu talebi karşılayabilmesi gerekiyor.

Ülkemizin bilgi işlem gücü stratejisi hâlâ "ulusal koordinasyon ve genel düzen" fikrine bağlı. Çin, Şubat 2022'den itibaren ülke çapında entegre bir bilgi işlem güç sistemi oluşturmak için Doğu Batı Bilgi İşlem Projesini başlattı.

Basitçe söylemek gerekirse, bir yandan çok sayıda veri merkezi (enerji santrallerine eşdeğer) inşa etmemiz gerekiyor, diğer yandan da dağıtım için güçlü bir omurga iletim ağı (elektrik şebekesine eşdeğer) kurmamız gerekiyor. Bu bilgi işlem gücü ve çeşitli endüstrilerin ihtiyaçlarını karşılar.

400G nasıl elde edildi?

Tüm dijital toplumun temeli olan mevcut optik iletişim omurga ağının, ultra geniş bant genişliği (400G, gelecek 800G ve hatta 1,6T), ultra düşük gecikme süresi (çok seviyeli gecikme çemberi), ultra geniş bant genişliği gibi birçok özelliğe sahip olması gerekir. ölçekli ağ iletişimi (daha önce bahsedilen dağıtılmış bilgi işlem ve yapay zeka kümelerine hizmet eder), ultra yüksek kararlılık, ultra yüksek güvenilirlik, ultra yüksek güvenlik, ultra esnek dağıtım, akıllı operasyon ve bakım kontrolü vb.

Bugün esas olarak en önemli hız bant genişliğinden bahsedeceğiz.

Optik iletişim teknolojisinin günümüze kadar gelişimi, hız artışı sağlamak için aşağıdaki hususlara odaklanmaktan başka bir şey değildir:

İlk olarak baud hızı var.

Bit hızı olarak da bilinen iletim hızı, saniye başına bit cinsinden ölçülen, birim zamanda iletilen bit sayısıdır.

Bit hızı=baud hızının, tek bir modülasyon durumuna karşılık gelen ikili bit sayısıyla çarpımı.

Baud hızı, birim zaman başına iletilen sembollerin sayısıdır. Baud hızı ne kadar yüksek olursa, saniyede o kadar fazla sembol iletilir ve elbette bilgi miktarı da o kadar fazla olur ve bu da hızın artmasına neden olur.

Baud hızı optik cihazın kapasitesine göre belirlenir. Cihaz çipi işlemi ne kadar gelişmiş olursa baud hızı ve bit hızı da o kadar yüksek olur.

Şu anda CMOS süreci 16nm'den 7nm ve 5nm'ye çıktı ve baud hızı kademeli olarak 30+GBaud'dan 64+GBaud, 90+GBaud ve 128+'ye yükseldi. GBaud.

Mevcut 400G, 128Gbaud'a ulaşan baud hızı sayesinde ticari olarak mevcuttur.

Modülasyon yöntemine bir kez daha bakalım.

Şu anda formülde yer alan 'tek bir modülasyon durumuna karşılık gelen ikili rakamlar' modülasyon yöntemiyle belirleniyor.

400G teknolojisinin modülasyon şemaları şu anda temel olarak farklı uygulama senaryolarına uygun olan 16QAM, 16QAM-PCS (PCS, bir dahaki sefere ayrıntılı olarak tanıtılacak olan bir olasılık şekillendirme teknolojisidir) ve QPSK'yi içermektedir.

Optik iletişim, yüksek dereceli modülasyonu körü körüne takip etmediği için kablosuz iletişimden farklıdır.

Modülasyon sırası ne kadar düşük olursa, hat gereksinimleri de o kadar düşük olur ve ağ yapım maliyeti de o kadar düşük olur. Dolayısıyla, uzun mesafeli omurga ağlarının ilk tasarım aşamasında odak noktası temel olarak 16QAM ve QPSK idi. Daha sonra yarışmaya 16QAM-PCS de katıldı.

Daha önce "Doğu Batı Hesaplaması"ndan söz edilmiyordu ve operatörler 400G'nin çok uzun mesafeli iletim gerektirmeyeceğine inanıyorlardı. Bu nedenle, daha olgun teknolojiye ve daha düşük fiyatlara sahip düşük baud hızlı cihazların benimsenmesi, daha yüksek modülasyon düzenine sahip 16QAM ile birlikte endüstrideki ana fikirdir.

Daha sonra bir yandan artan iletim mesafesi gereksinimleri nedeniyle 1000 km'nin üzerinde olan mesafe birkaç bin km'ye çıktı. Öte yandan, 128GBaud baud hızına sahip cihazlar hızla olgunlaştı (DCN senaryosunda 800G hızla yükseldi, endüstri zincirini canlandırdı ve teşvik etti), QPSK'nin öne çıkması için koşullar yarattı.

QPSK'nin doğrusal olmama konusunda daha yüksek bir toleransı vardır ve 16QAM-PCS'ye kıyasla giriş gücünü uygun şekilde artırabilir. İkinci olarak, QPSK'nin arka arkaya OSNR eşiği, 16QAM-PCS'ye kıyasla optimize edilmiştir. Ayrıca, QPSK'nin kanal aralığının 150 GHz'e ayarlanması, iletim sırasında neredeyse hiç filtreleme maliyetinin olmamasını sağlar.

Bu avantajlar, QPSK'yi yavaş yavaş omurga ağları ve DCI için sektörün tercih edilen seçeneği haline getirdi.

Üç seçeneğin kaba bir karşılaştırması

Artık ilk iki seçenek kentsel veya taşra uygulamaları için daha yaygın olarak değerlendiriliyor.

Üçüncüsü ise frekans bandını genişletmektir.

Baud hızı ve modülasyon esas olarak tek dalga hızını etkiler. Bir fiber optik kablo, spektral aralık yeterince geniş olduğu sürece birden fazla dalgaya sahip olabilir.

Tek dalga bant genişliği x tek fiber dalga sayısı=tek fiber bant genişliği.

Önceki tabloda belirtildiği gibi QPSK 400G'nin kanal aralığı 150GHz'e ulaşıyor. Hem geleneksel C-bandı hem de genişletilmiş C-bandı, spektrum bant genişliği talebini karşılamakta yetersizdir.

Böylece, toplam spektrum bant genişliği 12 THz olan C6T+L6T yöntemi yavaş yavaş benimseniyor. 80 dalga ve 400G'lik tek dalga ile tek bir fiberin toplam kapasitesinin 32T olduğunu hesaplayın. Mesafeden biraz fedakarlık edersek ve bunu maliyet tasarrufu için kullanırsak, QPSK veya 16QAM-PCS'yi kullanmak kapasiteyi daha da artırarak 48 tona ulaşabilir.

Frekans bantlarına detaylı bir giriş için şuraya bakabilirsiniz: Optik iletişim için frekans bantları nelerdir?

Frekans bandını genişletme konusundaki en büyük sorun cihazın bunu destekleyip desteklemediği ve maliyetin kontrol edilebilir olup olmadığıdır. Burada adı geçen cihazlar arasında ışığın iletimi ve alımının yanı sıra optik yolların değişimini ve amplifikasyonunu da içeren ITLA, CDM, ICR, EDFA ve WSS bulunmaktadır.

Bant genişletme söz konusu olduğunda bir de entegrasyon sorunu söz konusudur.

Mevcut bant uzantısı aslında daha çok iki sistemin (C ve L) basit bir şekilde bağlanmasına benzer. İki sistem bağımsız olarak çalışır, çoğullama yoluyla iletim yapar ve ardından karşı uçta bölünerek her biri işleme devam eder.

İki sistem varsa hacim daha büyük olacak, güç tüketimi daha yüksek olacak ve tasarım daha karmaşık olacaktır. Bu nedenle endüstrinin, cihazları nasıl entegre edeceğini ve aynı anda farklı genişletilmiş bantları destekleyen bir sistemi nasıl oluşturacağını araştırması gerekiyor. Yani gerçek entegrasyona ulaşmak.

Fiber optik iletişim, optik modül ve ekipmanların yanı sıra fiber optiğe de dikkat edilmesini gerektirir.

Mevcut ana fiber optik G.652D fiber optiktir. 400G QPSK ayrıca EDFA amplifikasyonu ile G.652D üzerinde 1500 km iletim yapabilir.

Yıllar süren doğrulamalardan sonra endüstri, G.654E fiberi yeni halef olarak belirledi. Aynı koşullar altında daha iyi performans gösteren G.654E kullanıldığında 400G QPSK'nin iletim mesafesi %30'dan fazla artırılabilir.

G. 654E fiber optik kablo, büyük ölçekli üretim kapasitesine sahiptir ve büyük ölçekte uzun mesafeli ana hatlarda kullanılacaktır. G. 654 serisinin bazı düşük kayıplı optik fiberleri, denizaltı kablo sistemlerinde okyanuslar boyunca uzun mesafeli iletim için de tercih edilen seçenek haline geldi.

Geleneksel fiber optiklerin dışında. Endüstri aynı zamanda çok çekirdekli fiberlerin ve içi boş fiberlerin geniş uygulama olanaklarına sahip olduğuna inanmaktadır.

Çok çekirdekli fiber, bir fibere daha fazla fiber çekirdeğinin yerleştirildiği ve fiberin kapasitesini önemli ölçüde artırmak için birkaç modun kullanıldığı bir tür uzamsal bölmeli çoğullamadır.

İçi boş fiber optik kablolar daha da etkileyicidir. Fiber optik kablonun içini boşaltın ve cam elyaf çekirdeğini havayla değiştirin.

İçi boş fiberin daha fazla kapasite, daha düşük gecikme süresi, daha küçük iletim kaybı ve ultra düşük doğrusal olmayanlık sağladığı kanıtlanmıştır ve endüstri tarafından optik iletişimde en umut verici teknolojilerden biri olarak kabul edilmektedir.

400G, 800G veya 1.6T için bir sonraki adım mı?

400G'lik resmi ticari ölçeğin ardından tüm sektör, 400G'nin ötesinde teknik standart sistemine odaklanacak.

Sektör hala 800G'ye mi, 1.2T'ye mi yoksa 1.6T'ye mi geçileceğini yoğun bir şekilde tartışıyor.

Daha yüksek hızlara ulaşmak istiyorsanız "modülasyon yöntemi+baud hızı" üzerinde çalışmaya devam etmelisiniz. 130GBd veya hatta daha yüksek 260GBd kaçınılmaz yöndür. Daha yüksek bir baud hızı, ilgili cihazların buna ayak uydurması ve olgun bir endüstriyel zincir oluşturması gerektiği anlamına gelir.

400G'nin ötesinde artık QPSK'ye güvenemeyiz. 16QAM modülasyonu şu anda sektörde yaygın olarak tanınan bir seçenektir.

Frekans bandının da daha da genişletilmesi gerekiyor. C ve L'yi genişletme temelinde, S-bandına, U-bandına, E-bandına vb. genişletmeyi düşünün. Eğer C+L+S ise, o zaman 12T+5T'dir ve şu bant genişliğine ulaşır: 17THz.

Birden fazla faktörün birleşimiyle, tek bir fiberin tek yönde iletim hızı 100 Tbps'yi aşabilir ki bu da çok yakındadır.

Veri merkezi içerisinde 800G (100GBd'nin üzerindeki baud hızlarına dayalı, tek kanal 100G) ticari olarak mevcuttur. Tek kanallı 200G, 400G, 800G, bu sadece an meselesi. Bu konuda yurt dışında ilerleme daha hızlıdır.

Kapasitenin sürekli artmasıyla birlikte getirdiği teknolojik zorluklar da artıyor. Başka bir deyişle optik iletişimin gelişimi cihazlara, çiplere, süreçlere ve malzemelere dayanır.

Daha önce bahsedilen güç tüketimi, güvenlik, işletme ve bakım gereksinimlerini karşılamak için teknoloji, mimari, paketleme, yapay zeka ve dijital ikizler gibi bir dizi yeniliğe de güveniyor. Endüstriyel zincirin yukarı ve aşağı yönünde hâlâ yapılacak çok iş var. Önümüzdeki yol hala uzun.