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1.400G, 정말 여기 있어요

얼마 전인 2024년 3월 차이나모바일은 세계 최초의 400G 전광성 지방간(베이징 내몽고) 간선을 개통했는데, 이는 중요한 이정표 행사로 평가된다.

백본망을 400G로 업그레이드하는 이유는 명확하다.

한편, 주민의 디지털 라이프(고화질 영상, 화상회의, 온라인 생방송, 온라인 게임 등)가 가져오는 소비자 인터넷 트래픽의 성장은 여전히 ​​지속되고 있다.

반면, 업계 전체가 디지털 전환을 추진하고 있으며, 업계 디지털 시스템의 트래픽 급증으로 인해 백본 네트워크에 대한 압박이 가중되었습니다.

백본 네트워크에 대한 압력이 갑작스럽게 증가하는 것도 핵심 이유인 AI의 폭발 때문입니다.

AIGC 빅 모델의 등장 이후 AI의 물결이 촉발되었습니다. AI 비즈니스 수요를 충족시키기 위해서는 지능형 컴퓨팅 센터를 대거 구축해야 한다. 모델은 수십억 개의 매개변수에서 수조 개의 매개변수로 진화했으며, GPU 컴퓨팅 파워 클러스터도 천 개의 카드 클러스터에서 만 개의 카드 클러스터, 심지어 십만 개의 카드 클러스터로 이동했습니다.

GPU 컴퓨팅 파워 클러스터는 실제로 InfiniBand 및 RoCEv2와 같은 고성능 네트워크를 통해 서로 연결된 대규모 GPU 카드(GPU 서버) 배열입니다. 네트워크 성능과 안정성에 대한 요구 사항이 매우 높으며 이는 교육 효율성과 비용에 직접적인 영향을 미칩니다.

GPU 서버의 네트워크 포트 속도만 놓고 보면 이미 400G라는 단일 포트에서 시작됐고 심지어 800G 이상이 필요하다.

GPU 서버의 네트워크 포트

이전에는 GPU 컴퓨팅 파워 클러스터가 DCN(Data Center Network) 범주에 속했습니다. 이제 클러스터 규모가 지속적으로 확장됨에 따라 분산 지능형 컴퓨팅 센터를 모델 교육에 적용하는 것을 고려하기 시작했습니다.

즉, 서로 다른 위치에 있는 여러 지능형 컴퓨팅 센터가 훈련을 위해 함께 사용됩니다.

이로 인해 DCI(Data Center Interconnection Network)에 대한 요구 사항이 높아지고 있으며, 광통신 백본 네트워크는 기술적 성능 측면에서 이러한 요구를 충족할 수 있어야 합니다.

우리나라의 컴퓨팅 파워 전략은 여전히 ​​"국가적 조화와 전체 배치"라는 이념을 고수하고 있습니다. 2022년 2월부터 중국은 전국적인 통합 컴퓨팅 전력 시스템을 구축하기 위해 동서 컴퓨팅 프로젝트를 시작했습니다.

간단히 말해서, 한편으로는 다수의 데이터 센터(발전소와 동일)를 구축해야 하고, 다른 한편으로는 강력한 백본 전송 네트워크(전력망과 동일)를 구축하여 전력을 분산시켜야 합니다. 이러한 컴퓨팅 성능을 활용하여 다양한 산업의 요구를 충족합니다.

400G는 어떻게 달성됐나요?

전체 디지털 사회의 기반인 현재의 광통신 백본 네트워크는 초대형 대역폭(400G, 향후 800G 또는 심지어 1.6T), 초저지연(다단계 지연 서클), 초대형 등 여러 특성을 가져야 합니다. 확장 네트워킹(앞서 언급한 분산 컴퓨팅 및 AI 클러스터 제공), 초고 안정성, 초고 신뢰성, 초고 보안, 초유연한 배포, 지능형 운영 및 유지 관리 제어 등

오늘은 가장 중요한 속도 대역폭에 대해 주로 이야기하겠습니다.

오늘날까지의 광통신 기술의 발전은 속도 향상을 위해 다음과 같은 측면에 초점을 맞추고 있다.

첫째, 전송 속도가 있습니다.

비트 전송률이라고도 하는 전송 속도는 단위 시간당 전송되는 비트 수이며 초당 비트 단위로 측정됩니다.

비트 전송률=전송 속도에 단일 변조 상태에 해당하는 바이너리 비트 수를 곱한 값입니다.

전송 속도는 단위 시간당 전송되는 기호 수입니다. 전송 속도가 높을수록 초당 더 많은 심볼이 전송되며, 당연히 정보량이 많아져 속도가 빨라집니다.

전송 속도는 광학 장치의 성능에 따라 결정됩니다. 장치 칩 프로세스가 발전할수록 전송 속도가 높아지고 비트 전송률도 높아집니다.

현재 CMOS 공정은 16nm에서 7nm, 5nm로 증가했으며 전송 속도는 30+GBaud에서 64+GBaud, 90+GBaud, 128+로 점차 증가했습니다. GBaud.

현재 400G는 128Gbaud에 달하는 전송 속도 덕분에 상업적으로 이용 가능합니다.

변조 방식을 다시 살펴보겠습니다.

방금 수식에서 '단일 변조 상태에 해당하는 이진수'는 변조 방식에 따라 결정됩니다.

현재 400G 기술의 변조 방식에는 주로 16QAM, 16QAM-PCS(PCS는 확률 형성 기술이며 다음 시간에 자세히 소개할 예정) 및 QPSK가 포함되며 이는 다양한 애플리케이션 시나리오에 적합합니다.

광통신은 맹목적으로 고차 변조를 추구하지 않는다는 점에서 무선 통신과 다르다.

변조 차수가 낮을수록 회선 요구 사항이 낮아지고 네트워크 구축 비용이 낮아집니다. 그래서 장거리 백본망의 초기 설계 단계에서는 기본적으로 16QAM과 QPSK에 중점을 두었습니다. 이후 16QAM-PCS도 대회에 참가했다.

이전에는 '동서 계산'에 대한 언급이 없었고 운영자는 400G가 너무 장거리 전송을 필요로 하지 않을 것이라고 믿었습니다. 따라서 보다 성숙한 기술과 저렴한 가격을 갖춘 낮은 전송 속도 장치를 채택하고 변조 차수가 높은 16QAM을 결합하는 것이 업계의 주류 의견입니다.

나중에 한편으로는 전송 거리에 대한 요구 사항이 증가함에 따라 1000km 이상에서 수천km로 늘어났습니다. 반면에 128GBaud 전송 속도 장치는 빠르게 성숙해졌으며(DCN 시나리오에서는 800G가 빠르게 상승하여 산업 체인을 자극하고 촉진함) QPSK가 두각을 나타낼 수 있는 조건을 만들었습니다.

QPSK는 비선형성에 대한 내성이 더 높으며 16QAM-PCS에 비해 입력 전력을 적절히 증가시킬 수 있습니다. 둘째, QPSK의 연속 OSNR 임계값은 16QAM-PCS에 비해 최적화되었습니다. 또한 QPSK의 채널 간격을 150GHz로 설정하면 전송 중 필터링 비용이 거의 발생하지 않습니다.

이러한 장점으로 인해 QPSK는 점차적으로 백본 네트워크 및 DCI에 대해 업계에서 선호되는 선택이 되었습니다.

세 가지 옵션을 대략적으로 비교

이제 처음 두 가지 옵션은 도시 또는 지방 적용 분야에서 더 일반적으로 고려됩니다.

셋째, 주파수 대역을 확대하는 것이다.

전송 속도와 변조는 주로 단일 파동 속도에 영향을 미칩니다. 광섬유 케이블은 스펙트럼 범위가 충분히 크면 여러 파장을 가질 수 있습니다.

단일 파장 대역폭 x 단일 광섬유 파수=단일 광섬유 대역폭.

이전 표에서 설명한 것처럼 QPSK 400G의 채널 간격은 150GHz에 이릅니다. 기존 C-대역과 확장된 C-대역 모두 스펙트럼 대역폭에 대한 수요를 충족하기에는 부족합니다.

따라서 전체 스펙트럼 대역폭이 12THz인 C6T+L6T 방식이 점차 채택되고 있습니다. 80개의 웨이브와 400G의 단일 웨이브로 계산하면 단일 광섬유의 총 용량은 32T입니다. 어느 정도 거리를 희생하고 이를 사용하여 비용을 절감한다면 QPSK 또는 16QAM-PCS를 배포하면 용량을 더욱 늘려 48T에 도달할 수 있습니다.

주파수 대역에 대한 자세한 소개는 여기에서 확인할 수 있습니다. 광통신용 주파수 대역은 무엇입니까?

주파수 대역 확장에 있어서 가장 큰 문제는 기기가 이를 지원할 수 있는지, 비용을 조절할 수 있는지 여부이다. 여기서 언급되는 장치에는 ITLA, CDM, ICR, EDFA 및 WSS가 포함되며 빛의 전송 및 수신은 물론 광 경로의 교환 및 증폭도 포함됩니다.

밴드 확장에 있어서도 관련된 문제가 있는데, 바로 통합입니다.

현재 대역 확장은 실제로 두 시스템(C 및 L)의 단순한 바인딩과 비슷합니다. 두 시스템은 독립적으로 작동하고 멀티플렉싱을 통해 전송한 다음 반대쪽 끝에서 분할되어 각각 계속 처리됩니다.

시스템이 두 개 있으면 볼륨도 커지고 전력 소비도 높아지며 설계도 더욱 복잡해집니다. 따라서 업계에서는 장치를 통합하고 동시에 다양한 확장 대역을 지원하는 시스템을 실제로 만드는 방법을 연구해야 합니다. 즉, 진정한 통합을 이루는 것입니다.

광섬유 통신은 광 모듈 및 장비 외에도 광섬유에 대한 관심이 필요합니다.

현재 주류 광섬유는 G.652D 광섬유입니다. 400G QPSK는 EDFA 증폭을 통해 G.652D에서 1500km를 전송할 수도 있습니다.

수년간의 검증 끝에 업계에서는 G.654E 광섬유를 새로운 후속 제품으로 식별했습니다. 동일한 조건에서 더 나은 성능의 G.654E를 사용하면 400G QPSK의 전송 거리가 30% 이상 증가할 수 있습니다.

G. 654E 광섬유 케이블은 대규모 생산 능력을 갖추고 있으며 장거리 간선에 대규모로 배치됩니다. G. 654 시리즈의 일부 저손실 광섬유는 해저 케이블 시스템에서 바다를 가로지르는 장거리 전송에 선호되는 선택이 되었습니다.

전통적인 광섬유 외에도. 업계에서는 또한 다중 코어 섬유와 중공 섬유가 광범위한 응용 가능성을 갖고 있다고 믿고 있습니다.

멀티 코어 광섬유는 공간 분할 다중화의 일종으로, 하나의 광섬유에 더 많은 광섬유 코어를 삽입하고 광섬유의 용량을 크게 늘리기 위해 몇 가지 모드를 사용합니다.

중공 광섬유 케이블은 더욱 인상적입니다. 광섬유 케이블을 속으로 만들고 유리 섬유 코어를 공기로 교체하기만 하면 됩니다.

중공 섬유는 더 큰 용량, 더 낮은 대기 시간, 더 작은 전송 손실 및 초저 비선형성을 제공하는 것으로 입증되었으며 업계에서 광통신에서 가장 유망한 기술 중 하나로 널리 간주됩니다.

400G, 800G 또는 1.6T의 다음 단계는 무엇입니까?

400G 정식 상용 규모 이후 업계 전체는 400G 이상 기술 표준 체계에 집중할 예정이다.

업계에서는 아직도 800G를 진행할지, 1.2T를 진행할지, 1.6T를 진행할지 치열한 논의를 벌이고 있다.

더 높은 속도를 달성하려면 "변조 방법+전송 속도"에 대한 작업을 계속해야 합니다. 130GBd 또는 그 이상인 260GBd는 불가피한 방향입니다. 전송 속도가 높다는 것은 관련 장치가 성숙한 산업 체인을 따라잡고 형성해야 함을 의미합니다.

400G 이상에서는 더 이상 QPSK에 의존할 수 없습니다. 16QAM 변조는 현재 업계에서 널리 인정되는 옵션입니다.

주파수 대역도 더 확장해야 한다. C와 L을 확장한 것을 기반으로 S-band, U-band, E-band 등으로 확장하는 것을 고려한다. C+L+S라면 12T+5T가 되며, 17THz.

여러 요소의 조합으로 인해 단일 광섬유의 단일 방향 전송 속도는 100Tbps를 초과할 수 있으며, 이는 바로 코앞에 있습니다.

데이터 센터 내에서는 800G(100GBd 이상의 전송 속도 기준, 단일 채널 100G)가 상용화되었습니다. 단일 채널 200G, 400G, 800G는 시간 문제일 뿐입니다. 이런 점에서는 해외에서의 진전이 더 빠르다.

용량이 지속적으로 증가함에 따라 그에 따른 기술적 과제도 증가하고 있습니다. 즉, 광통신의 발전은 장치, 칩, 프로세스, 재료에 달려 있습니다.

앞서 언급한 전력 소비, 보안, 운영 및 유지 관리 요구 사항을 충족하기 위해 기술, 아키텍처, 패키징, 인공 지능, 디지털 트윈과 같은 일련의 혁신도 필요합니다. 산업 체인의 업스트림과 다운스트림에서는 아직 해야 할 일이 많습니다. 앞으로 갈 길은 아직 멀다.