Модули QSFP+

Оптические трансиверы QSFP+ для многомодового волокна уже получили широкое распространение в высокопроизводительных приложениях InfiniBand. Данный факт подтолкнул производителей трансиверов на создание QSFP+ 40Гбит/с , работающих по одномодовому волокну на значительные расстояния.

Основные потребители таких трансиверов – дата-центры и хранилища данных – уже заинтересованы в использовании не только многомодовых, но и одномодовых трансиверов. Так же одномодовые трансиверы 40Гбит/c получают распространение на рынке оборудования для операторов связи. Возможность создания таких трансиверов обусловлена прогрессом в области снижения потребляемой/рассеиваемой мощности электронных компонентов и высоким уровнем интеграции этих компонентов. Таким образом, форм-фактор QSFP+ становится стандартным для технологии передачи данных на скорости 40Гбит/с на расстояния, значительно превышающие 100 метров.

В 2006 году в IEEE была образована группа для исследования аспектов передачи данных на скорости 100Гбит/c и развития высокоскоростного Ethernet. Но уже к середине 2007 года исследователи пришли к выводу, что в ближайшие несколько лет передача данных на скорости 40Гбит/с будет эффективнее с точки зрения стоимости, размеров передатчиков и потребляемой/рассеиваемой мощности. К тому же, производители серверов не планировали использование в своем оборудовании интерфейсов со скоростью передачи данных выше 40-60 Гбит/c.

В итоге спектр интересов группы был расширен и началась работа по обоим направлениям: по 40GE и 100GE. В ходе работы группы были описаны основные положения и характеристики модулей CFP. Форм-фактор CFP показал свою состоятельность и обеспечил необходимые условия для создания оборудования со сменными трансиверами 40 и 100 Гбит/c.

Несмотря на более раннее появление, модули CFP не смогли удержать лидерство из-за габаритных размеров: модули QSFP+ позволили четырехкратно увеличить плотность портов в оборудовании.В 2009 году на основе стандарта MSA для модулей QSFP был создан стандарт MSA SFF-8436, описывающий QSFP+ и предназначенный для увеличения скорости передачи данных до 40-100 Гбит/c. В итоге отрасли было предложено два полноценных форм-фактора для передачи данных на скорости 40 Гбит/с – CFP и QSFP+.

Миграция на 40GE

Технологическая подкованность производителей позволила значительно сократить сроки перехода на технологию 40GE. Трансиверы SFP+ появились только спустя 7 лет после выхода стандарта, описывающего их. QSFP+ же были описаны в 2009 году и уже сейчас налажено их промышленное производство. Последняя редакция SFF-8436 от 7 июля 2012 содержит описание модулей QSFP+ для работы на расстояниях до 40 километров.

Электрическая часть QSFP+ модулей основана на разработках для модулей SFP+. Для достижения скорости в 40 Гбит/c используется 4 отработанных ранее электрических схемы по 10Гбит/с. Оптическая часть требует значительных доработок, вследствие чего и получилась значительная пауза между выпуском QSFP+ для многомодовых и одномодовых волокон.

Применения модулей QSFP+

Скорость передачи данных, необходимая для соединения высокопроизводительного top-of-rack оборудования дата-центров, постепенно выросла в последние годы с 1Гбит/c до 10Гбит/c. В настоящее время эта скорость поднята минимум до 40-60 Гбит/c. (Рис. 2) Для дата-центра средних размеров, может потребоваться коммутация оборудования, находящегося в радиусе 100 метров. Потребности таких ЦОД были удовлетворены еще в 2010 году, когда было начато производство многомодовых QSFP+. Если же дата центр располагается на нескольких этажах одного здания или в нескольких зданиях, необходимы более протяженные подключения, не требующие слотов нового типа или смены линейных карт в оборудовании.

Многомодовые трансиверы используют MPO коннекторы с 12 и более волокнами, необходимыми для достижения нужной скорости. Многоволоконные кабели с коннекторами значительно больше, чем патчкорды с LC коннекторами. Так же одномодовые подключения с LC коннекторами обеспечивают большую плотность портов на оборудовании и значительно больший охват. При многомодовых подключениях используются трансиверы с лазерами VCSEL, намного более экономичными с точки зрения потребляемой мощности по сравнению с лазерами DFB, однако пока этот фактор не играет решающей роли при выборе типа подключения.

Стоимость многомодовых трансиверов традиционно ниже, чем одномодовых. Однако, стоимость ленточного многомодового кабеля с разъемами MPO значительно превышает стоимость одномодовых патчкордов с LC разъемами.

Одномодовые подключения позволяют достичь большей производительности, дальности, скорости передачи данных, а так же легкой миграции на новые технологии в будущем. С учетом всех факторов одномодовые подключения становятся более привлекательными даже для коротких линий.

Компоненты модулей QSFP+

Для оптимизации стоимости одномодовых модулей QSFP+ со стороны производителей электронных компонентов необходимы значительные усилия по интеграции передатчиков и приемников в единое устройство. Как только будет создана такая сборка, модули QSFP+ получат решающее преимущество над модулями CFP.

Необходимо создание передающей оптической сборки, включающей 4 TOSA и мультиплексор на основе PLC-делителя. Для приемника необходима сборка из 4 ROSA и тонкопленочными или рефлекторным демультиплексором. Так же необходимо вынести функции восстановления тактовых сигналов/данных и сами модули CDR за пределы оптического трансивера. Значительным прорывом было бы создание единого многополосного лазерного драйвера для оптических сборок. Для полного перехода от CFP к QSFP+ требуется еще и значительное снижение мощности, потребляемой оптическими (возможно и электрическими) компонентами.

В таблице приведены основные компоненты, которые необходимы для модулей QSFP+ 40GBase-SR4, 40GBase-LR4 и 40GBase-ER4. Для расстояний в 40 километров используется система передатчиков, используемая в модулях LR4, но вместо PIN-диодов LR4 необходимо применение каскада лавинных фотодиодов, что усложняет задачу разработки трансиверов ER4.

Основные компоненты модулей QSFP+

Будущее модулей QSFP+

Будущее для 40GE модулей QSFP+ уже наступило. Модули предложены на рынке и ждут начала этапа массового потребления в самых различных приложениях. Результаты, полученные при разработке QSFP+, могут стать опорой для дальнейших исследований в области передачи данных и достижения скоростей 1 TerabitEthernet и выше.