Connaissance

Choisir entre une interconnexion optique et une interconnexion électrique ne consiste pas à déclarer une technologie plus rapide ou plus avancée. La question d'ingénierie utile est de savoir où chaque support s'inscrit dans l'enveloppe de bande passante, de portée, de puissance, de densité, de latence et de coût du cycle de vie-requis.

Les liaisons électriques restent très efficaces à courte portée. En fait, les travaux actuels de l’OIF surInterfaces électriques de classe 224 Gbit/s-cible les applications puce-à-module, puce-à-puce et fond de panier/câble en cuivre-. Les liaisons optiques deviennent plus intéressantes à mesure que la portée, la bande passante globale et la densité de câblage augmentent, en particulier lorsque les pertes électriques et l'égalisation commencent à consommer davantage d'énergie et de marge de conception.

Ce guide compare les deux au niveau du lien complet-et donne des exemples de croisement pratiques plutôt que de s'appuyer sur une seule distance universelle.

Interconnexion optique et électrique en un coup d'œil

Qu'est-ce qu'une interconnexion électrique ?

Une interconnexion électrique transfère les données via un canal conducteur tel qu'une trace de PCB, un connecteur, un fond de panier ou un câble en cuivre. L'émetteur lance un signal électrique et le récepteur reconstruit les données une fois que le signal a traversé le canal.

La signalisation électrique est mature et capable de très hautes performances. Le défi est que le canal ne reste pas aussi facile à utiliser à mesure que le débit de voie et la distance augmentent. L'atténuation, les discontinuités d'impédance, les réflexions, la diaphonie et le bruit peuvent nécessiter une égalisation plus forte de l'émetteur, une égalisation du récepteur, une correction d'erreur directe, un recalage ou de meilleurs matériaux.

Les travaux CEI-224G de l'OIF le montrent clairement : électrique n'est pas synonyme de faible vitesse. Le projet CEI-224G-MR cible une signalisation de 144 à 232 Gb/s sur jusqu'à 500 mm de PCB et un connecteur, tandis que CEI-224G-LR cible la même plage de signalisation sur jusqu'à 1 000 mm de fond de panier et jusqu'à deux connecteurs. Il s’agit de canaux physiques délibérément courts, mais de tarifs de voies extrêmement élevés.

Pour le câblage réseau conventionnel, le cuivre reste utile lorsque l'interface installée et la distance correspondent à ses spécifications. HengtongGamme de câbles patch Cat 6est un exemple de l'écosystème de cuivre plus large utilisé pour la connectivité Ethernet à courte portée.

Qu'est-ce qu'une interconnexion optique ?

Une interconnexion optique transporte la lumière modulée à travers une fibre ou un guide d'ondes photonique. Une liaison pratique comprend normalement une interface électrique, un émetteur ou modulateur optique, un canal optique, un photodétecteur et un récepteur électronique :

Données électriques → émetteur optique → canal optique → récepteur optique → données électriques

Cette chaîne de conversion est importante. La fibre elle-même présente de faibles pertes et est insensible aux interférences électromagnétiques, mais la liaison optique complète consomme toujours de l'énergie et ajoute à la complexité de mise en œuvre. La comparaison correcte n’est donc pas celle du câble en cuivre par rapport à la fibre nue ; il s'agit d'une architecture complète d'émetteur-canal-récepteur par rapport à une autre.

La mise en œuvre change également avec la distance.Fibre multimodeest largement utilisé pour les liaisons optiques à courte portée-, tandis quefibre monomode-prend en charge les architectures à plus longue portée-et à haute-capacité. Au niveau des équipements, les liaisons optiques dépendent de composants tels queémetteurs-récepteurs optiques-haute vitesse et composants optiques.

Six différences importantes dans la conception de systèmes réels

1. La bande passante et la portée doivent être évaluées ensemble

La bande passante à elle seule ne décide pas du support. Une voie électrique-à très grande vitesse peut bien fonctionner sur un canal court étroitement contrôlé, tandis que l'optique peut supporter une bande passante globale élevée sur des distances beaucoup plus longues.

Deux familles de standards illustrent la différence d’échelle. Les projets électriques OIF CEI-224G traitent la signalisation de 144 à 232 Gbit/s sur des canaux de carte/fond de panier inférieurs-mètres. Du côté optique, les lignes de base IEEE P802.3bs 400GbE incluent 400GBASE-DR4 pour au moins 500 m de fibre monomode-, un objectif de fibre monomode-mode-de 2 km et un objectif de fibre-mode-monomode de 10 km. Il ne s'agit pas de remplacements directs-un pour un, mais ils montrent pourquoi une "distance de croisement" universelle est trompeuse : la réponse dépend de la génération de l'interface et de la classe de lien.

LeRésumé de base IEEE P802.3bsest utile lorsqu'une équipe de conception doit connecter un objectif de débit de données-à une classe de portée réelle au lieu d'utiliser des expressions vagues telles que "haute vitesse" ou "longue distance".

2. L'intégrité du signal devient un problème différent

Les liaisons électriques doivent gérer la perte d'insertion, la perte de retour, les réflexions, la diaphonie et les EMI. Les canaux-haute vitesse dépendent souvent d'un contrôle précis de l'impédance, de la conception des connecteurs, de l'égalisation SerDes et de la simulation des canaux.

La fibre élimine plusieurs de ces problèmes de-canaux électriques. Il ne conduit pas le courant électrique et n’est pas sensible aux interférences électromagnétiques comme le cuivre. Cela peut être décisif dans des environnements électriquement bruyants ou lorsque de nombreux canaux à haut débit-doivent traverser un espace confiné.

L'optique ne supprime pas la complexité de l'ingénierie ; cela change la complexité. Les concepteurs optiques doivent gérer l'intégration du laser ou de la source, la perte de couplage, la propreté des connecteurs, l'alignement, la photodétection, le comportement thermique et le conditionnement optique.

3. Le pouvoir a un crossover, pas un gagnant universel

Une liaison électrique courte peut être très-efficace en termes d'énergie, car elle évite la conversion optique. Cependant, à mesure que le canal électrique devient plus dur, davantage d'égalisation, de resynchronisation ou d'électronique de câble active peuvent être nécessaires. Les liaisons optiques introduisent leur propre puissance laser, modulateur et récepteur.

C'est pourquoi l'énergie par bit est plus utile que de se demander si « la fibre consomme moins d'énergie ».Exigences des-fournisseurs du système de l'OIF pour les-interfaces économes en énergiedonnent des objectifs d'ingénierie utiles plutôt qu'une affirmation universelle : un cas d'utilisation d'interconnexion optique-frontale-exige moins de 10 pJ/bit pour le moteur optique plus le laser, tandis qu'un cas d'interconnexion-backend cible bien en dessous de 4 pJ/bit. Il s'agit d'exigences et d'objectifs de conception, et non de mesures garanties pour chaque produit optique.

Le même document de l'OIF sépare également les échelles de déploiement : les interconnexions des centres de données-frontaux-des centres de données peuvent s'étendre sur environ 0 à 500 m et parfois jusqu'à 2 km ; les interconnexions des accélérateurs back-end-peuvent s'étendre jusqu'à environ 300 m ; et les interconnexions de calcul locales sont décrites dans la plage de 7 à 10 m. C’est une manière plus pratique d’envisager le croisement que de rechercher une distance magique.

4. La latence dépend de l'ensemble du lien

L'optique ne doit pas automatiquement être considérée comme l'option de latence-la plus faible. La propagation n'est qu'une partie de la latence de bout en bout-à-. Une liaison optique peut inclure la modulation, la conversion électrique-vers-optique, la photodétection, la FEC et le traitement du récepteur. Une liaison électrique peut inclure la sérialisation, l'égalisation, le FEC et les retimers.

Si la latence est une contrainte de conception, comparez le chemin complet de l'émetteur au récepteur, y compris chaque retimer, étage DSP et FEC. Un chemin physique plus court avec un traitement plus lourd peut perdre au profit d'un chemin plus long avec un chemin de données plus simple.

5. La densité, l'encombrement des câbles et le débit d'air deviennent des contraintes du système

À grande échelle, le problème n’est pas seulement le nombre de gigabits transportés par une liaison. Il s'agit de la quantité de bande passante qui peut traverser une plaque frontale, un chemin de câbles, un rack ou un boîtier de commutation sans bloquer le flux d'air ni consommer d'espace de routage excessif.

La fibre peut transporter une bande passante globale élevée dans une section de câble relativement petite-. Les architectures optiques-parallèles utilisent également une connectivité multi-fibre telle queProduits MPO/MTP, qui sont courants dans le câblage des-centres de données-haute densité.

6. Modifications des coûts lorsque vous passez du prix des composants au coût du cycle de vie

Les liaisons électriques gagnent souvent sur le coût initial des composants à courte portée. Les liaisons optiques ajoutent des exigences en matière d'émetteurs-récepteurs, d'interfaces optiques et de gestion de la fibre-. Cela ne signifie pas que l’optique a automatiquement un coût total inférieur à grande échelle.

Une comparaison utile du TCO doit inclure :

• coût du câble, du connecteur et de l'émetteur-récepteur ;
• retimer, AEC ou-électronique de conditionnement du signal ;
• alimentation du commutateur et du port NIC ;
• refroidissement associé à l'électronique de liaison ;
• densité de ports et contraintes de façade ;
• efforts d'installation et de maintenance ;
• cycles de mise à niveau et si le support installé peut prendre en charge les futures interfaces.

Au lieu de supposer qu’un média a un TCO inférieur, établissez la comparaison autour du nombre réel de ports, de la portée et de l’horizon de mise à niveau attendu.

Quand l’interconnexion électrique est généralement le meilleur choix

La connectivité électrique est généralement favorisée lorsque le canal est physiquement court et que l'interface électrique sélectionnée présente une marge d'intégrité du signal-confortable.

• À l'intérieur d'un package, d'une carte ou d'un châssis :les liaisons électriques évitent les conversions optiques inutiles et utilisent un écosystème de conception mature.
• Câbles courts avec une norme de cuivre établie :le cuivre peut être simple, peu coûteux et facile à entretenir.
• Le courant doit circuler avec la connexion :une infrastructure conductrice est toujours nécessaire. Si un projet nécessite à la fois des données optiques et de l'alimentation dans une seule construction de câble, uncâble composite photoélectriquepeut combiner des fibres et des conducteurs électriques, mais les fibres optiques elles-mêmes ne transportent pas d’énergie électrique.
• La bande passante requise est confortablement inférieure à la limite du canal électrique :l'ajout d'optiques ne crée pas de valeur si la liaison électrique existante atteint déjà les objectifs de portée, de puissance et de densité.

Quand l'interconnexion optique devient le choix le plus judicieux

Les arguments en faveur de l’optique se renforcent lorsque plusieurs contraintes apparaissent en même temps plutôt que lorsqu’un nombre franchit un seuil fixe.

• La portée passe de l'échelle des cartes/châssis à l'échelle des racks, des rangées ou des centres de données-.
• La bande passante globale augmente plus rapidement que la marge des canaux électriques disponibles.
• Le recalage, l'égalisation ou l'électronique en cuivre actif consomment une part inacceptable du budget énergétique.
• Les contraintes EMI, diaphonie ou mise à la terre sont difficiles à gérer.
• La densité des ports, l'encombrement des câbles ou le débit d'air sont devenus une limite de conception physique.
• L'usine de câblage devrait prendre en charge plusieurs générations futures d'interfaces-haut débit.

Ces conditions sont courantes dans le-informatique haute densité etconnectivité du centre de données-, où le même système peut utiliser des liaisons électriques au sein des serveurs et des liaisons optiques entre les racks ou les couches de commutation.

Le point de croisement : utilisez une matrice portée-bande passante-puissance

Il n’existe pas de distance universelle entre le cuivre et le début de l’optique. Une meilleure approche consiste à classer la connexion par échelle physique, puis à tester si la mise en œuvre électrique a encore de la marge.

Pour l'IA/HPC en particulier, les exigences d'interface-efficaces-énergétiquement efficaces de l'OIF placent les liens front-backend,-de calcul locaux et front-end dans différentes catégories de portée et de puissance. Le guide de Hengtong pourcuivre contre fibre dans les centres de données IApeut être utilisé comme lecture de suivi-lorsque la décision est liée à l'architecture du cluster d'IA plutôt qu'au réseau général.

Les interconnexions optiques et électriques fonctionnent généralement ensemble

De nombreux systèmes modernes sont hybrides de par leur conception. La signalisation électrique reste efficace à proximité des processeurs, de la mémoire, des commutateurs ASIC et autres appareils électroniques. La liaison passe à l'optique où la distance, la densité de bande passante ou la pression d'intégrité du signal justifient la conversion.

Le point de transition bouge également. Le travail de co-packaging de l'OIF définit un module co-copackagé de 3,2 Tb/s pour les applications de commutation Ethernet et cible environ 140 Gb/s par millimètre de bande passante périphérique. L'orientation plus large de l'industrie est de réduire la longueur du chemin électrique à grande vitesse entre l'ASIC et le moteur optique plutôt que d'éliminer complètement la signalisation électrique.

LeAccord de mise en œuvre du co-packaging OIF 3.2Test une référence utile pour comprendre pourquoi « optique versus électrique » est de plus en plus une question de placement architectural.

Idées fausses courantes

"L'optique est toujours plus rapide."

Non. L'optique présente des avantages majeurs en matière de bande passante et de portée, mais les performances de bout en bout-à- dépendent également de l'émetteur, du récepteur, du DSP, du FEC et du protocole. Une interface électrique courte peut répondre aux mêmes exigences d'application avec moins d'étapes de conversion.

"L'optique consomme toujours moins d'énergie."

Non. Une liaison électrique courte peut être extrêmement efficace. L'optique devient plus attrayante lorsque la mise en œuvre électrique complète nécessite une égalisation importante, un recalage ou une électronique de câble active. Comparez pJ/bit pour le lien complet.

"Le cuivre est obsolète."

Non. L'OIF définit activement des interfaces électriques de classe 224 Gb/s-pour les systèmes de nouvelle-génération. Les liaisons électriques restent essentielles à proximité des ordinateurs et au sein des équipements.

"L'interconnexion optique signifie la fibre uniquement."

Non. Une liaison optique comprend des composants électro-optiques, un emballage et des composants électroniques. La fibre est peut-être la partie-de perte la plus faible du canal, mais elle ne représente pas l'ensemble du système.

Foire aux questions

A quelle distance faut-il remplacer l'interconnexion électrique par une interconnexion optique ?

Il n’y a pas de distance universelle. À des débits de voies très élevés, les normes électriques peuvent être optimisées pour les canaux de carte et de fond de panier inférieurs au -mètre, tandis que les normes Ethernet optiques prennent en charge des centaines de mètres ou de kilomètres. La décision doit combiner la portée, le débit de voie, la bande passante globale, la puissance, la densité et le coût.

L’interconnexion optique est-elle meilleure pour les centres de données IA ?

C'est souvent important pour les liaisons évolutives-et à haute-densité, mais les liaisons électriques dominent encore de nombreuses connexions courtes à proximité des accélérateurs et des siliciums de commutation. Les exigences actuelles de l'OIF traitent explicitement les interconnexions front-end, back-calcul et locales comme des espaces de conception différents.

L'interconnexion optique réduit-elle la latence ?

Pas automatiquement. La propagation optique ne représente qu’une partie de la latence. La conversion, le DSP et la FEC peuvent être aussi importants que le support. Comparez le chemin complet des données.

L'interconnexion optique transporte-t-elle de l'énergie électrique ?

Ce n’est pas le cas de la fibre optique. Un conducteur séparé est requis. Les câbles composites hybrides ou photoélectriques peuvent placer des fibres optiques et des conducteurs électriques dans la même construction de câble lorsque les données et l'alimentation sont nécessaires.

Quelle est la mesure la plus utile pour comparer la puissance ?

Utilisez l'intégralité de l'énergie de liaison-par bit, ainsi que l'impact total de la puissance et du refroidissement des ports. La puissance des composants à elle seule peut masquer le coût des resynchroniseurs, des DSP, des lasers ou des câbles électroniques actifs ailleurs sur le chemin.

Les optiques co-packagées remplaceront-elles les optiques enfichables et les interconnexions électriques ?

Pas comme remplacement universel. L'optique co-packagée est une architecture permettant de rapprocher le moteur optique du silicium de commutation ou de calcul. Les optiques enfichables, les câbles électriques actifs, le cuivre passif et les liaisons électriques au niveau de la carte continueront de répondre aux différentes exigences en matière de portée, de facilité d'entretien, de coût et de puissance.

Conclusion finale

L'interconnexion électrique est plus solide lorsque le canal physique est court, que l'interface présente une marge d'intégrité du signal-adéquate et que la simplicité ou le faible coût initial sont importants. L'interconnexion optique devient plus intéressante à mesure que la portée, la bande passante globale, l'immunité aux interférences électromagnétiques et la densité de bande passante poussent le canal électrique vers une égalisation, un recalage ou une alimentation de câble active- plus lourde.

Le crossover n’est donc pas un nombre fixe de mètres. C'est le point où la liaison électrique complète ne répond plus à l'enveloppe de bande passante, de portée, de puissance, de densité, de latence et de coût de cycle de vie-requise avec une marge confortable.

Définissez d’abord ces contraintes. Comparez ensuite des architectures électriques et optiques complètes avec le même débit de données et la même portée. Dans de nombreux systèmes-hautes performances, la meilleure conception n'est pas une isolation optique ou électrique ; il s'agit d'une transition délibérée de la signalisation électrique à proximité du silicium vers la signalisation optique là où la distance et la densité de bande passante le justifient.