Hiểu biết

1.400G, thực sự là ở đây

Cách đây không lâu, vào tháng 3 năm 2024, China Mobile đã khai trương đường trục 400G toàn tỉnh liên tỉnh (Nội Mông Bắc Kinh) đầu tiên trên thế giới, đây được coi là một sự kiện quan trọng.

Lý do nâng cấp mạng đường trục lên 400G là hiển nhiên.

Một mặt, sự tăng trưởng về lưu lượng truy cập Internet của người tiêu dùng do cuộc sống số của người dân mang lại (video độ phân giải cao, hội nghị từ xa, phát sóng trực tuyến, trò chơi trực tuyến, v.v.) vẫn đang tiếp tục.

Mặt khác, toàn bộ ngành đang thúc đẩy chuyển đổi kỹ thuật số và sự gia tăng lưu lượng truy cập từ các hệ thống kỹ thuật số trong ngành đã làm tăng áp lực lên các mạng đường trục.

Áp lực lên mạng đường trục tăng đột ngột cũng do một nguyên nhân then chốt - sự bùng nổ của AI.

Sau sự trỗi dậy của mô hình lớn AIGC, nó đã tạo ra một làn sóng AI. Để đáp ứng nhu cầu kinh doanh AI, cần xây dựng một số lượng lớn các trung tâm điện toán thông minh. Mô hình đã phát triển từ hàng tỷ tham số lên hàng nghìn tỷ tham số, cụm sức mạnh tính toán GPU cũng đã chuyển từ cụm nghìn thẻ sang cụm mười nghìn thẻ hoặc thậm chí là cụm trăm nghìn thẻ.

Cụm sức mạnh tính toán GPU thực chất là một dãy các card GPU (máy chủ GPU) khổng lồ được kết nối với nhau thông qua các mạng hiệu suất cao như InfiniBand và RoCEv2. Nó có yêu cầu cực kỳ cao về hiệu suất và độ tin cậy của mạng, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và chi phí đào tạo.

Chỉ xét riêng về tốc độ cổng mạng của máy chủ GPU, nó đã bắt đầu từ một cổng duy nhất là 400G và thậm chí còn yêu cầu 800G trở lên.

Cổng mạng của máy chủ GPU

Trước đây, cụm sức mạnh tính toán GPU thuộc danh mục DCN (Data Center Network). Giờ đây, với việc liên tục mở rộng quy mô cụm, chúng tôi đã bắt đầu xem xét áp dụng các trung tâm điện toán thông minh phân tán vào đào tạo mô hình.

Nghĩa là, một số trung tâm điện toán thông minh ở các địa điểm khác nhau sẽ được sử dụng cùng nhau để đào tạo.

Điều này đặt ra các yêu cầu cao hơn đối với DCI (Mạng kết nối trung tâm dữ liệu) và mạng đường trục truyền thông quang học phải có khả năng đáp ứng nhu cầu này về mặt hiệu suất kỹ thuật.

Chiến lược về sức mạnh tính toán của nước ta vẫn tuân thủ tư tưởng “phối hợp quốc gia và bố trí tổng thể”. Bắt đầu từ tháng 2 năm 2022, Trung Quốc đã triển khai Dự án Điện toán Đông Tây nhằm tạo ra một hệ thống điện toán tích hợp trên toàn quốc.

Nói một cách đơn giản, một mặt chúng ta cần xây dựng một số lượng lớn các trung tâm dữ liệu (tương đương với các nhà máy điện), mặt khác, chúng ta cũng cần xây dựng một mạng lưới truyền tải đường trục mạnh mẽ (tương đương với một lưới điện) để phân phối. sức mạnh tính toán này và đáp ứng nhu cầu của các ngành công nghiệp khác nhau.

Làm thế nào để đạt được 400G?

Mạng đường trục truyền thông quang học hiện tại, với tư cách là nền tảng của toàn bộ xã hội kỹ thuật số, phải có nhiều đặc điểm như băng thông cực lớn (400G, 800G trong tương lai hoặc thậm chí 1.6T), độ trễ cực thấp (vòng trễ đa cấp), cực lớn mạng quy mô (phục vụ các cụm điện toán phân tán và AI đã đề cập trước đó), độ ổn định cực cao, độ tin cậy cực cao, bảo mật cực cao, triển khai cực kỳ linh hoạt, kiểm soát vận hành và bảo trì thông minh, v.v.

Hôm nay, chúng ta sẽ chủ yếu nói về băng thông tốc độ quan trọng nhất.

Sự phát triển của công nghệ truyền thông quang học cho đến ngày nay, để đạt được tốc độ nâng cao không gì khác ngoài việc tập trung vào các khía cạnh sau:

Đầu tiên là tốc độ baud.

Tốc độ truyền, còn được gọi là tốc độ bit, là số bit được truyền trên một đơn vị thời gian, được đo bằng bit trên giây.

Tốc độ bit=tốc độ truyền nhân với số bit nhị phân tương ứng với một trạng thái điều chế duy nhất.

Tốc độ baud là số lượng ký hiệu được truyền trong một đơn vị thời gian. Tốc độ baud càng cao thì càng có nhiều ký hiệu được truyền đi mỗi giây và tất nhiên lượng thông tin càng lớn, dẫn đến tốc độ tăng lên.

Tốc độ baud được xác định bởi khả năng của thiết bị quang học. Quá trình xử lý chip của thiết bị càng tiên tiến thì tốc độ truyền càng cao và tốc độ bit càng cao.

Hiện tại, quy trình CMOS đã tăng từ 16nm lên 7nm và 5nm, đồng thời tốc độ truyền tăng dần từ 30+GBaud lên 64+GBaud, 90+GBaud và 128+ GBaud.

400G hiện tại có sẵn trên thị trường nhờ tốc độ truyền đạt 128Gbaud.

Chúng ta hãy xem xét lại phương pháp điều chế.

'Các chữ số nhị phân tương ứng với một trạng thái điều chế đơn' trong công thức vừa được xác định bằng phương pháp điều chế.

Các sơ đồ điều chế của công nghệ 400G hiện chủ yếu bao gồm 16QAM, 16QAM-PCS (PCS là công nghệ định hình xác suất, sẽ được giới thiệu chi tiết trong lần tới) và QPSK, phù hợp với các tình huống ứng dụng khác nhau.

Truyền thông quang học khác với truyền thông không dây ở chỗ nó không theo đuổi điều chế bậc cao một cách mù quáng.

Thứ tự điều chế càng thấp thì yêu cầu đối với đường truyền càng thấp và chi phí xây dựng mạng càng thấp. Vì vậy, trong giai đoạn thiết kế ban đầu của mạng đường trục đường dài, về cơ bản trọng tâm là 16QAM và QPSK. Sau đó, 16QAM-PCS cũng tham gia cuộc thi.

Trước đây, không có đề cập đến "Tính toán Đông Tây" và các nhà khai thác tin rằng 400G sẽ không yêu cầu truyền khoảng cách quá xa. Do đó, việc áp dụng các thiết bị tốc độ truyền thấp với công nghệ hoàn thiện hơn và giá thấp hơn, kết hợp với 16QAM với thứ tự điều chế cao hơn, là quan điểm chủ đạo trong ngành.

Sau này, một mặt do yêu cầu về khoảng cách truyền dẫn ngày càng cao nên khoảng cách truyền từ trên 1000 km lên đến vài nghìn km. Mặt khác, các thiết bị tốc độ baud 128GBaud nhanh chóng trưởng thành (trong kịch bản DCN, 800G tăng nhanh, kích thích và thúc đẩy chuỗi ngành), tạo điều kiện để QPSK nổi bật.

QPSK có dung sai phi tuyến cao hơn và có thể tăng công suất đầu vào một cách thích hợp so với 16QAM-PCS. Thứ hai, ngưỡng OSNR liên tiếp của QPSK được tối ưu hóa so với 16QAM-PCS. Hơn nữa, việc đặt khoảng cách kênh của QPSK thành 150GHz đảm bảo hầu như không tốn chi phí lọc trong quá trình truyền.

Những ưu điểm này đã dần dần khiến QPSK trở thành lựa chọn ưu tiên của ngành cho các mạng đường trục và DCI.

So sánh sơ bộ ba lựa chọn

Hiện nay, hai lựa chọn đầu tiên thường được xem xét phổ biến hơn cho các ứng dụng ở thành thị hoặc tỉnh.

Thứ ba là mở rộng băng tần.

Tốc độ truyền và điều chế chủ yếu ảnh hưởng đến tốc độ sóng đơn. Một sợi cáp quang có thể có nhiều sóng, miễn là dải phổ đủ lớn.

Băng thông sóng đơn x số sóng sợi đơn=băng thông sợi đơn.

Như đã nêu trong bảng trước, khoảng cách kênh của QPSK 400G đạt 150GHz. Cả băng tần C truyền thống và băng tần C mở rộng đều không đủ đáp ứng nhu cầu về băng thông phổ.

Vì vậy, phương pháp C6T+L6T đang dần được áp dụng, với tổng băng thông phổ là 12THz. Tính toán, với 80 sóng và một sóng đơn 400G thì tổng dung lượng của một sợi quang là 32T. Nếu chúng ta hy sinh một khoảng cách nào đó và sử dụng nó để tiết kiệm chi phí thì việc triển khai QPSK hoặc 16QAM-PCS có thể tăng công suất hơn nữa, đạt 48T.

Để được giới thiệu chi tiết về các dải tần, bạn có thể xem tại đây: Các dải tần dành cho truyền thông quang học là gì?

Vấn đề lớn nhất khi mở rộng băng tần là liệu thiết bị có hỗ trợ được hay không và chi phí có thể kiểm soát được hay không. Các thiết bị được đề cập ở đây bao gồm ITLA, CDM, ICR, EDFA và WSS, liên quan đến việc truyền và nhận ánh sáng cũng như trao đổi và khuếch đại các đường quang.

Khi nói đến việc mở rộng băng tần, cũng có một vấn đề liên quan, đó là sự tích hợp.

Việc mở rộng băng tần hiện tại thực sự giống một sự ràng buộc đơn giản của hai hệ thống (C và L). Hai hệ thống hoạt động độc lập, truyền qua ghép kênh và sau đó phân chia ở đầu đối diện, mỗi hệ thống tiếp tục xử lý.

Nếu có hai hệ thống, âm lượng sẽ lớn hơn, mức tiêu thụ điện năng cao hơn và thiết kế sẽ phức tạp hơn. Vì vậy, ngành cần nghiên cứu cách tích hợp các thiết bị và thực sự tạo ra một hệ thống hỗ trợ các băng tần mở rộng khác nhau cùng một lúc. Tức là đạt được sự hội nhập thực sự.

Truyền thông sợi quang, ngoài các mô-đun và thiết bị quang học, còn cần chú ý đến sợi quang.

Cáp quang phổ thông hiện nay là cáp quang G.652D. 400G QPSK cũng có thể truyền 1500km trên G.652D với bộ khuếch đại EDFA.

Sau nhiều năm xác minh, ngành công nghiệp đã xác định sợi G.654E là loại sợi kế thừa mới. Nếu sử dụng G.654E hoạt động tốt hơn, trong cùng điều kiện, khoảng cách truyền của 400G QPSK có thể tăng hơn 30%.

G. Cáp quang 654E có khả năng sản xuất trên quy mô lớn và sẽ được triển khai trên các tuyến đường trục dài với quy mô lớn. G. Một số sợi quang tổn thất thấp thuộc dòng 654 cũng đã trở thành lựa chọn ưu tiên để truyền dẫn đường dài xuyên đại dương trong hệ thống cáp ngầm dưới biển.

Ngoài cáp quang truyền thống. Ngành công nghiệp cũng tin rằng sợi đa lõi và sợi rỗng có triển vọng ứng dụng rộng rãi.

Sợi đa lõi là một loại ghép kênh phân chia không gian, trong đó nhiều lõi sợi được chèn vào một sợi và một số chế độ được sử dụng để tăng đáng kể dung lượng của sợi.

Cáp quang rỗng thậm chí còn ấn tượng hơn. Đơn giản chỉ cần làm rỗng cáp quang và thay lõi sợi thủy tinh bằng không khí.

Sợi rỗng đã được chứng minh là mang lại công suất lớn hơn, độ trễ thấp hơn, tổn thất truyền tải nhỏ hơn và độ phi tuyến cực thấp và được nhiều người coi là một trong những công nghệ hứa hẹn nhất trong truyền thông quang học của ngành.

Bước tiếp theo cho 400G, 800G hay 1.6T?

Sau quy mô thương mại chính thức là 400G, toàn ngành sẽ tập trung vào hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật vượt quá 400G.

Ngành công nghiệp vẫn đang tranh luận gay gắt về việc nên tiếp tục sử dụng 800G, 1,2T hay 1,6T.

Nếu bạn muốn đạt được tốc độ cao hơn, bạn phải tiếp tục làm việc với "phương pháp điều chế + tốc độ truyền". 130GBd, thậm chí cao hơn ở mức 260GBd là hướng đi tất yếu. Tốc độ truyền cao hơn có nghĩa là các thiết bị liên quan phải theo kịp và tạo thành một chuỗi công nghiệp trưởng thành.

Ngoài 400G, chúng ta không còn có thể dựa vào QPSK nữa. Điều chế 16QAM hiện là một lựa chọn được công nhận rộng rãi trong ngành.

Dải tần cũng cần được mở rộng hơn nữa. Trên cơ sở mở rộng C và L, hãy xem xét mở rộng sang băng tần S, băng tần U, băng tần E, v.v. Nếu là C+L+S thì là 12T+5T, đạt được băng thông là 17THz.

Với sự kết hợp của nhiều yếu tố, tốc độ truyền của một sợi quang theo một hướng có thể vượt quá 100Tbps, điều này sắp xảy ra.

Trong trung tâm dữ liệu, 800G (dựa trên tốc độ truyền trên 100GBd, kênh đơn 100G) đã có sẵn trên thị trường. Kênh đơn 200G, 400G, 800G, chỉ còn là vấn đề thời gian. Về vấn đề này, tiến bộ ở nước ngoài nhanh hơn.

Với sự gia tăng liên tục về công suất, những thách thức về công nghệ mà nó mang lại cũng ngày càng tăng. Nói cách khác, sự phát triển của truyền thông quang học phụ thuộc vào các thiết bị, chip, quy trình và vật liệu.

Để đáp ứng các yêu cầu về tiêu thụ điện năng, bảo mật, vận hành và bảo trì đã đề cập trước đó, nó cũng dựa vào một loạt cải tiến như công nghệ, kiến ​​trúc, bao bì, trí tuệ nhân tạo và bản sao kỹ thuật số. Vẫn còn rất nhiều việc phải làm ở thượng nguồn và hạ nguồn của chuỗi công nghiệp. Con đường phía trước vẫn còn dài.