Connaissance

1.400G, c'est vraiment là

Il n'y a pas si longtemps, en mars 2024, China Mobile a inauguré la première ligne interprovinciale 400G entièrement optique au monde (Mongolie intérieure de Pékin), ce qui est considéré comme un événement marquant.

La raison de la mise à niveau du réseau fédérateur vers 400G est évidente.

D'une part, la croissance du trafic Internet grand public induite par la vie numérique des habitants (vidéo haute définition, téléconférences, diffusion en direct en ligne, jeux en ligne, etc.) se poursuit.

D’un autre côté, l’ensemble du secteur promeut la transformation numérique, et l’augmentation du trafic provenant des systèmes numériques industriels a intensifié la pression sur les réseaux fédérateurs.

L’augmentation soudaine de la pression sur le réseau fédérateur est également due à une raison essentielle : l’explosion de l’IA.

Après la montée en puissance du grand modèle AIGC, cela a déclenché une vague d’IA. Afin de répondre aux besoins des entreprises d’IA, il est nécessaire de construire un grand nombre de centres de calcul intelligents. Le modèle est passé de milliards de paramètres à des milliards de paramètres, et le cluster de puissance de calcul GPU est également passé d'un cluster de mille cartes à un cluster de dix mille cartes, voire cent mille cartes.

Un cluster de puissance de calcul GPU est en fait un ensemble de cartes GPU massives (serveurs GPU) connectées entre elles via des réseaux hautes performances tels qu'InfiniBand et RoCEv2. Il a des exigences extrêmement élevées en matière de performances et de fiabilité du réseau, ce qui affecte directement l'efficacité et le coût de la formation.

En termes de vitesse du port réseau des serveurs GPU uniquement, cela a déjà commencé à partir d'un seul port de 400G, et nécessite même 800G ou plus.

Ports réseau des serveurs GPU

Auparavant, les clusters de puissance de calcul GPU appartenaient à la catégorie des DCN (Data Center Network). Aujourd'hui, avec l'expansion continue de la taille des clusters, nous avons commencé à envisager d'appliquer des centres de calcul intelligents distribués à la formation de modèles.

Autrement dit, plusieurs centres de calcul intelligents situés dans différents endroits seront utilisés ensemble pour la formation.

Cela impose des exigences plus élevées au DCI (Data Center Interconnection Network), et le réseau fédérateur de communication optique doit être en mesure de répondre à cette demande en termes de performances techniques.

La stratégie de notre pays en matière de puissance de calcul adhère toujours à l'idée de « coordination nationale et configuration globale ». À partir de février 2022, la Chine a lancé le projet East West Computing visant à créer un système de puissance de calcul intégré à l'échelle nationale.

En termes simples, d'une part, nous devons construire un grand nombre de centres de données (équivalents à des centrales électriques), et d'autre part, nous devons également construire un réseau de transmission robuste (équivalent à un réseau électrique) pour distribuer cette puissance de calcul et répondre aux besoins de diverses industries.

Comment a-t-on atteint 400G ?

Le réseau fédérateur de communication optique actuel, fondement de toute la société numérique, doit présenter de multiples caractéristiques telles qu'une bande passante ultra large (400G, futur 800G ou même 1,6T), une latence ultra faible (cercle de latence multi-niveaux), une ultra grande mise en réseau à grande échelle (au service des clusters d'informatique distribuée et d'IA mentionnés précédemment), ultra-haute stabilité, ultra-haute fiabilité, ultra-haute sécurité, déploiement ultra flexible, contrôle intelligent du fonctionnement et de la maintenance, etc.

Aujourd’hui, nous parlerons principalement de la bande passante de vitesse la plus importante.

Le développement de la technologie de communication optique jusqu'à nos jours, afin d'améliorer la vitesse, ne consiste qu'à se concentrer sur les aspects suivants :

Tout d’abord, il y a le débit en bauds.

Le débit de transmission, également appelé débit binaire, est le nombre de bits transmis par unité de temps, mesuré en bits par seconde.

Débit binaire=débit en bauds multiplié par le nombre de bits binaires correspondant à un seul état de modulation.

Le débit en bauds est le nombre de symboles transmis par unité de temps. Plus le débit en bauds est élevé, plus le nombre de symboles transmis par seconde est élevé et, bien sûr, plus la quantité d'informations est importante, ce qui entraîne une augmentation de la vitesse.

Le débit en bauds est déterminé par la capacité du dispositif optique. Plus le processus de la puce de l'appareil est avancé, plus le débit en bauds et le débit binaire sont élevés.

À l'heure actuelle, le processus CMOS est passé de 16 nm à 7 nm et 5 nm, et le débit en bauds a progressivement augmenté de 30+GBaud à 64+GBaud, 90+GBaud et 128+ GBaud.

Le 400G actuel est disponible dans le commerce grâce à son débit en bauds atteignant 128 Gbauds.

Jetons un autre regard sur la méthode de modulation.

Les « chiffres binaires correspondant à un seul état de modulation » dans la formule qui vient d'être déterminée sont déterminés par la méthode de modulation.

Les schémas de modulation de la technologie 400G incluent actuellement principalement 16QAM, 16QAM-PCS (PCS est une technologie de mise en forme de probabilité, qui sera présentée en détail la prochaine fois) et QPSK, qui conviennent à différents scénarios d'application.

La communication optique est différente de la communication sans fil dans le sens où elle ne recherche pas aveuglément une modulation d'ordre élevé.

Plus l'ordre de modulation est bas, plus les exigences de la ligne sont faibles et plus le coût de construction du réseau est bas. Ainsi, dès les premiers stades de conception des réseaux fédérateurs longue distance, l’accent était essentiellement mis sur le 16QAM et le QPSK. Plus tard, 16QAM-PCS a également rejoint la compétition.

Auparavant, il n'était pas fait mention du « calcul Est-Ouest » et les opérateurs pensaient que le 400G ne nécessiterait pas de transmission sur de trop longues distances. Par conséquent, l'adoption de dispositifs à faible débit en bauds avec une technologie plus mature et des prix plus bas, combinés à 16QAM avec un ordre de modulation plus élevé, est l'opinion dominante dans l'industrie.

Plus tard, d'une part, en raison des exigences croissantes en matière de distance de transmission, celle-ci est passée de plus de 1 000 km à plusieurs milliers de km. D'un autre côté, les appareils à débit en bauds de 128 Go ont rapidement mûri (dans le scénario DCN, le 800G a rapidement augmenté, stimulant et promouvant la chaîne industrielle), créant les conditions permettant au QPSK de se démarquer.

QPSK a une tolérance de non-linéarité plus élevée et peut augmenter de manière appropriée la puissance d'entrée par rapport au 16QAM-PCS. Deuxièmement, le seuil OSNR consécutif de QPSK est optimisé par rapport à 16QAM-PCS. De plus, le réglage de l'espacement des canaux de QPSK à 150 GHz garantit pratiquement aucun coût de filtrage pendant la transmission.

Ces avantages ont progressivement fait de QPSK le choix préféré de l'industrie pour les réseaux fédérateurs et DCI.

Une comparaison approximative de trois options

Désormais, les deux premières options sont plus communément envisagées pour les applications urbaines ou provinciales.

Troisièmement, il s’agit d’élargir la bande de fréquences.

Le débit en bauds et la modulation affectent principalement le débit d'onde unique. Un câble à fibre optique peut avoir plusieurs ondes, à condition que la plage spectrale soit suffisamment large.

Bande passante à onde unique x numéro d'onde à fibre unique =bande passante à fibre unique.

Comme indiqué dans le tableau précédent, l'espacement des canaux du QPSK 400G atteint 150 GHz. La bande C traditionnelle et la bande C étendue sont insuffisantes pour répondre à la demande de bande passante spectrale.

Ainsi, la méthode C6T+L6T est progressivement adoptée, avec une bande passante spectrale totale de 12THz. Calculez, avec 80 vagues et une seule vague de 400G, la capacité totale d'une seule fibre est de 32T. Si nous sacrifions une certaine distance et l'utilisons pour réduire les coûts, le déploiement de QPSK ou de 16QAM-PCS peut augmenter encore la capacité, atteignant 48T.

Pour une introduction détaillée aux bandes de fréquences, vous pouvez consulter ici : Quelles sont les bandes de fréquences pour la communication optique ?

Le plus gros problème lié à l’extension de la bande de fréquences est de savoir si l’appareil peut la prendre en charge et si le coût est contrôlable. Les dispositifs mentionnés ici comprennent ITLA, CDM, ICR, EDFA et WSS, qui impliquent la transmission et la réception de la lumière, ainsi que l'échange et l'amplification des chemins optiques.

Lorsqu'il est question d'élargissement des bandes, il y a aussi un problème en jeu, celui de l'intégration.

L’extension de bande actuelle ressemble en réalité davantage à une simple liaison de deux systèmes (C et L). Deux systèmes fonctionnent indépendamment, transmettent par multiplexage, puis se séparent à l'extrémité opposée, chacun poursuivant son traitement.

S’il y a deux systèmes, le volume sera plus grand, la consommation électrique sera plus élevée et la conception sera plus complexe. L’industrie doit donc étudier comment intégrer des appareils et véritablement créer un système prenant en charge différentes bandes étendues en même temps. C’est-à-dire parvenir à une véritable intégration.

La communication par fibre optique, en plus des modules et équipements optiques, nécessite également une attention particulière à la fibre optique.

La fibre optique grand public actuelle est la fibre optique G.652D. Le 400G QPSK peut également transmettre 1 500 km sur G.652D avec amplification EDFA.

Après des années de vérification, l'industrie a identifié la fibre G.654E comme son nouveau successeur. Si vous utilisez le G.654E, plus performant, dans les mêmes conditions, la distance de transmission du 400G QPSK peut être augmentée de plus de 30 %.

G. Le câble à fibre optique 654E a la capacité d'être produit à grande échelle et sera déployé à grande échelle sur des lignes principales longue distance. G. Certaines fibres optiques à faibles pertes de la série 654 sont également devenues le choix privilégié pour la transmission longue distance à travers les océans dans les systèmes de câbles sous-marins.

En dehors de la fibre optique traditionnelle. L'industrie estime également que les fibres multicœurs et les fibres creuses ont de larges perspectives d'application.

La fibre multicœur est un type de multiplexage par répartition spatiale dans lequel plusieurs cœurs de fibre sont insérés dans une fibre et peu de modes sont utilisés pour augmenter considérablement la capacité de la fibre.

Les câbles à fibres optiques creuses sont encore plus impressionnants. Il suffit de creuser le câble à fibre optique et de remplacer l'âme en fibre de verre par de l'air.

Il a été prouvé que la fibre creuse apporte une plus grande capacité, une latence plus faible, une perte de transmission plus faible et une non-linéarité ultra-faible, et est largement considérée comme l'une des technologies de communication optique les plus prometteuses par l'industrie.

Prochaine étape pour le 400G, le 800G ou le 1.6T ?

Après l'échelle commerciale officielle de 400G, l'ensemble de l'industrie se concentrera sur le système de normes techniques au-delà de 400G.

L'industrie débat encore intensément pour savoir s'il faut passer au 800G, au 1,2T ou au 1,6T.

Si vous souhaitez atteindre des vitesses plus élevées, vous devez continuer à travailler sur la « méthode de modulation + débit en bauds ». 130 Go, voire plus, à 260 Go, est la direction inévitable. Un débit en bauds plus élevé signifie que les appareils associés doivent suivre le rythme et former une chaîne industrielle mature.

Au-delà de 400G, on ne peut plus compter sur le QPSK. La modulation 16QAM est actuellement une option largement reconnue dans l'industrie.

La bande de fréquences doit également être encore élargie. Sur la base de l'extension de C et L, envisagez d'étendre la bande S, la bande U, la bande E, etc. S'il s'agit de C+L+S, alors c'est 12T+5T, ce qui permet d'obtenir une bande passante de 17THz.

Avec la combinaison de plusieurs facteurs, le débit de transmission d’une seule fibre dans une seule direction peut dépasser 100 Tbit/s, ce qui approche à grands pas.

Au sein du centre de données, le 800G (basé sur des débits en bauds supérieurs à 100 Go, 100G monocanal) est disponible dans le commerce. Monocanal 200G, 400G, 800G, ce n'est qu'une question de temps. À cet égard, les progrès sont plus rapides à l’étranger.

Avec l’augmentation continue de la capacité, les défis technologiques qu’elle entraîne augmentent également. En d’autres termes, le développement de la communication optique repose sur des dispositifs, des puces, des processus et des matériaux.

Pour répondre aux exigences de consommation électrique, de sécurité, d’exploitation et de maintenance évoquées précédemment, elle s’appuie également sur une série d’innovations telles que la technologie, l’architecture, le packaging, l’intelligence artificielle et les jumeaux numériques. Il y a encore beaucoup de travail à faire en amont et en aval de la chaîne industrielle. Le chemin à parcourir est encore long.