Исчерпала ли себя многомодовая оптика в ЦОДе?

Сегодня типовая скорость передачи данных в дата-центрах составляет 400 Гбит/с, а оценка перспектив указывает на значение 800 Гбит/с уже к концу текущего десятилетия. При этом действующая нормативная база СКС допускает применение в машинном зале ЦОДа и одномодовой, и многомодовой оптики. С функциональной точки зрения эти варианты равноценны, так как обеспечивают одинаковые скорости передачи данных. Использование того или иного решения целиком и полностью оставляется на усмотрение авторов проекта. Однако при выборе из двух близких вариантов построения линии желательно иметь возможность опереться на какие-либо правила и рекомендации, следование которым позволит минимизировать риски проектной ошибки.

Поэтому ряд специалистов в стремлении радикально решить проблему выбора настаивают на применении во всем ЦОДе только одного типа элементной базы, а именно одномодовой оптики, и используют при этом следующие аргументы:

Эти аргументы, на первый взгляд вполне резонные, при более внимательном рассмотрении оказываются весьма дискуссионными и, на наш взгляд, не могут считаться достаточными для столь радикальной коррекции принципов построения физического уровня информационной системы машинного зала ЦОДа.

Во-первых, для рассматриваемой области применения предельная дальность связи в сотни метров избыточна. Как уже отмечалось, использование системы воздушного охлаждения для утилизации тепла, выделяемого ИТ- и сетевым оборудованием, накладывает некоторые ограничения на площадь машзала и соответственно на максимальную протяженность кабельного тракта в нем. Эта величина для типового машзала ЦОДа в среднем не превышает 72 м.

Во-вторых, унификация элементной базы безу­словно уместна для ЦОДов, использующих модель colocation. Они рассчитаны на сдачу в аренду стойко-мест с обеспечением их гарантированным электроснабжением, соблюдением температурного режима и иных параметров окружающей среды. Фактически такие структуры представляют собой совокупность микроЦОДов, расположенных на одном архитектурном объекте. Для них характерно прямое подключение коммутаторов к соединительной линии телеком-оператора, в результате чего их количество соизмеримо с количеством стоек. В этом случае применение одномодовой оптики целиком и полностью оправдано хотя бы соображениями минимизации количества преобразований сигнала и связанного с ним падения надежности и некоторого увеличения задержки.

Для корпоративных ЦОДов ситуация меняется на прямо противоположную. В них суммарное количество соединительных линий и дополняющих их межзальных связей увеличенной протяженности в случае крупных объектов как минимум на порядок меньше общего количества стоек. В этой ситуации повсеместное применение одномодовой техники уже не столь очевидно и должно обосновываться отдельно.

Оставляя за кадром заметно большую эксплуатационную капризность одномодовой волоконной оптики по сравнению с многомодовой, примем в качестве постулата равенство их функциональных возможностей. Тогда вопрос о выборе типа элементной базы информационной проводки машинного зала переходит преимущественно в экономическую плоскость.

У профессиональных связистов, занимающихся волоконной оптикой, в ходу следующая интуитивно понятная формула:

означающая, что волоконно-оптическая линия передачи (ВОЛП) как технический объект представляет собой унитарную совокупность волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), которая образует ее пассивную часть, и активного оборудования волоконно-оптической системы передачи (ВОСП). Каких-либо ограничений на область применения это соотношение не имеет, что позволяет привлечь его для анализа линий внутриобъектовой связи.

Заготовки одномодовых и многомодовых волокон формируются по одной и той же технологии, но в последнем случае за счет большей площади резко увеличивается расход дорогостоящих добавок, что сопровождается значительным удорожанием волокна. С другой стороны, стоимость оптических приемников и передатчиков определяют преимущественно фотодиод и лазер соответственно. Эта стоимость существенно увеличивается по мере перехода в длинноволновый рабочий диапазон, который характерен для одномодовой оптики.

Более того, сама технология изготовления VCSEL-лазера как излучателя «многомодового» окна прозрачности 850–950 нм заметно проще, чем РОС-лазера, применяемого в одномодовой технике (упрощенные структуры обоих лазеров показаны на рис. 1), что определяет больший выход годных. 

Совокупное действие этих двух факторов обусловливает существование некоторой предельной протяженности кабельного тракта, при превышении которой следует безусловно строить линию связи на одномодовой элементной базе. Расчеты показывают, что этот предел составляет примерно 250 м, т.е. заметно превышает практически востребованный в машзале ЦОДа диапазон длин кабельных трактов. В комплексе это все означает, что многомодовые оптические линии имеют массовую область применения.

О потенциальной востребованности многомодовой оптики для построения линий следующего поколения свидетельствует появление специализированных разработок нового скоростного диапазона.

В качестве примера сошлемся на опубликованный в начале 2023 г. документ Terabit BiDi MSA Technical Specification, который нормирует основные характеристики многомодовых сетевых интерфейсов 800G-SR4.2 и 1,6T-SR8.2. Примечательно, что таковые предлагаются сразу в двух вариантах дальности действия (см. таблицу): SR – стандартной и VR – малой (30–70 м в зависимости от категории используемого волокна). Последнее говорит о стремлении к оптимизации параметров сетевых интерфейсов для применения в условиях, когда задействуются много линий небольшой длины (как в машзале ЦОДа).

Сокращение предельной дальности действия сетевого интерфейса означает резкое уменьшение дисперсионного штрафа. Это как раз и открывает перспективы применения техники BiDi, которая из-за принятой в ней схемы формирования линейного сигнала предполагает использование более высоких тактовых частот, в результате чего изначально выдвигает повышенные требования в отношении дисперсионных параметров оптического тракта.

Из таблицы видно, что учет характерных для типовой области эксплуатации небольших длин кабельных трактов дает возможность ослабить требования к части параметров излучателя, применяемого в технике VR, и это положительно сказывается на стоимости решения.

Предполагается, что передача на скорости 800 Гбит/с осуществляется в соответствии со схемой Base8, а при переходе на следующий скоростной диапазон 1,6 Тбит/с используется схема Base16. В качестве разъема нормируется MPO/MTP, раскладка отдельных волокон и спектральных каналов по посадочным местам наконечника МРО12 и МРО16 схематически показана на рис. 2.

Хорошие экономические показатели интерфейсов BiDi обусловлены тем, что расстояние между оптическими несущими составляет 50 нм, т.е. увеличено в 1,5 раза по сравнению с системами SWDM. Это дает возможность существенно удешевить оптический фильтр и применять в интерфейсе излучатели с меньшей стабильностью центральной длины волны излучаемого света.

Перспективы внедрения экономически выгодных многомодовых интерфейсов BiDi следующего поколения можно существенно улучшить за счет применения в СКС машинного зала волоконно-оптических кабелей, световоды которых целенаправленно адаптированы для работы с данной разновидностью сетевой техники.

Речь идет о так называемых BiDi-волокнах с 50-микронной сердцевиной, которые разработаны на основе техники категории ОМ4. При прочих равных параметрах по спецификациям ANSI/TIA 492AAAF и IEC 60793-2-10 данные волокна отличаются от прототипа нормированием коэффициента широкополосности ΔF при лазерном возбуждении в первом окне прозрачности на двух длинах волн. Это не новинка, но с учетом предполагаемой области применения в качестве опорных использованы длины волн 850 и 910 нм, а не 850 и 953 нм, на которых осуществляется нормировка параметров волокон категории ОМ5. При всей внешней незаметности этого шага он существенно увеличивает выход годных в производстве, что положительно сказывается на отпускной цене продукции.

Функциональные возможности BiDi-волокон расширяются тем, что они изначально обратно совместимы по коэффициенту широкополосности с волокнами категории ОМ5 на опорных длинах волн. При этом для длины волны 910 нм, которая отсутствует в оригинальной спецификации прототипа, берутся значения из фирменных спецификаций, где принята его минимальная величина ΔF = 3100 МГц × км.

В настоящее время о возможности серийных поставок BiDi-волокон объявили две компании. Corning предлагает свою продукцию под торговыми марками OM3 HDR и OM4 HDR, а OFS Optics выпускает аналогичную технику как LaserWave Dual-Band (OM4+). Предельная дальность действия по кабелям с волокнами HDR и Dual-Band равна 100 м, что фактически в 1,5 раза превышает максимальную ожидаемую для реального ЦОДа величину. 

Отдельно укажем, что Corning обоснованно считает перспективными и бюджетные волокна OM3 HDR. Дело в том, что предельная протяженность кабельного тракта на этой технике составляет 80 м, что опять же превышает ожидаемый 70-метровый максимум. Этот запас определяется тем, что фирменные спецификации устанавливают для волокон OM3 HDR значение ΔF = 2890 МГц × км на длине волны 850 нм, что на 40% больше, чем для стандартного волокна категории ОМ3.

***

Как мы видим, многомодовая волоконно-оптическая техника сохраняет свою актуальность в ЦОДах при скоростях передачи до 1,6 Тбит/с включительно, т.е. вопрос о ее полной замене на одномодовые решения отодвигается по меньшей мере до середины следующего десятилетия. Многомодовую линию передачи с указанным быстродействием предпочтительнее формировать на основе техники, которая целенаправленно разрабатывалась для этого скоростного диапазона. А появление специализированных сетевых интерфейсов и световодов для лазерной передачи субтерабитного и терабитного диа­пазонов скоростей в совокупности с готовностью промышленности к их серийному производству свидетельствует о высоком рыночном потенциале многомодовых волоконно-оптических решений для машзалов ЦОДов. 

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!