المعرفه

1.400 جرام، إنه هنا حقًا

منذ وقت ليس ببعيد، في مارس 2024، افتتحت شركة China Mobile أول خط رئيسي في العالم 400G بصري بالكامل بين المقاطعات (بكين منغوليا الداخلية)، والذي يعتبر حدثًا بارزًا مهمًا.

سبب ترقية الشبكة الأساسية إلى 400G واضح.

فمن ناحية، لا يزال نمو حركة مرور المستهلكين على الإنترنت الناجم عن الحياة الرقمية للمقيمين (الفيديو عالي الوضوح، وعقد المؤتمرات عن بعد، والبث المباشر عبر الإنترنت، والألعاب عبر الإنترنت، وما إلى ذلك) مستمرًا.

ومن ناحية أخرى، تعمل الصناعة بأكملها على تعزيز التحول الرقمي، وقد أدى الارتفاع الكبير في حركة المرور من الأنظمة الرقمية الصناعية إلى زيادة الضغط على الشبكات الأساسية.

ترجع الزيادة المفاجئة في الضغط على الشبكة الأساسية أيضًا إلى سبب رئيسي، وهو انفجار الذكاء الاصطناعي.

بعد ظهور النموذج الكبير لـ AIGC، أثار موجة من الذكاء الاصطناعي. ومن أجل تلبية احتياجات أعمال الذكاء الاصطناعي، من الضروري بناء عدد كبير من مراكز الحوسبة الذكية. لقد تطور النموذج من مليارات المعلمات إلى تريليونات من المعلمات، كما انتقلت مجموعة قوة الحوسبة GPU من مجموعة ألف بطاقة إلى مجموعة عشرة آلاف بطاقة أو حتى مجموعة مائة ألف بطاقة.

مجموعة طاقة الحوسبة GPU هي في الواقع مجموعة من بطاقات GPU الضخمة (خوادم GPU) المتصلة معًا من خلال شبكات عالية الأداء مثل InfiniBand وRoCEv2. لديها متطلبات عالية للغاية لأداء الشبكة وموثوقيتها، مما يؤثر بشكل مباشر على كفاءة التدريب والتكلفة.

فيما يتعلق بسرعة منفذ الشبكة لخوادم GPU وحدها، فقد بدأت بالفعل من منفذ واحد يبلغ 400 جيجا بايت، بل وتتطلب 800 جيجا بايت أو أعلى.

منافذ الشبكة لخوادم GPU

في السابق، كانت مجموعات طاقة الحوسبة GPU تنتمي إلى فئة DCN (شبكة مركز البيانات). الآن، مع التوسع المستمر في حجم المجموعة، بدأنا في النظر في تطبيق مراكز الحوسبة الذكية الموزعة على نموذج التدريب.

وهذا يعني أنه سيتم استخدام العديد من مراكز الحوسبة الذكية في مواقع مختلفة معًا للتدريب.

وهذا يضع متطلبات أعلى لـ DCI (شبكة الاتصال البيني لمراكز البيانات)، ويجب أن تكون الشبكة الأساسية للاتصالات الضوئية قادرة على تلبية هذا الطلب من حيث الأداء الفني.

لا تزال استراتيجية بلادنا في مجال القوة الحاسوبية ملتزمة بفكرة "التنسيق الوطني والتخطيط الشامل". اعتبارًا من فبراير 2022، أطلقت الصين مشروع الحوسبة بين الشرق والغرب لإنشاء نظام طاقة حاسوبي متكامل على مستوى البلاد.

ببساطة، من ناحية، نحتاج إلى بناء عدد كبير من مراكز البيانات (أي ما يعادل محطات الطاقة)، ​​ومن ناحية أخرى، نحتاج أيضًا إلى بناء شبكة نقل أساسية قوية (أي ما يعادل شبكة كهرباء) لتوزيعها. هذه القوة الحاسوبية وتلبية احتياجات الصناعات المختلفة.

كيف تم تحقيق 400G؟

يجب أن تتمتع الشبكة الأساسية للاتصالات الضوئية الحالية، باعتبارها أساس المجتمع الرقمي بأكمله، بخصائص متعددة مثل عرض النطاق الترددي الكبير جدًا (400G أو 800G المستقبلي أو حتى 1.6T)، وزمن الوصول المنخفض للغاية (دائرة زمن الوصول متعددة المستويات)، والكمون الكبير جدًا شبكات واسعة النطاق (تخدم الحوسبة الموزعة ومجموعات الذكاء الاصطناعي المذكورة سابقًا)، واستقرار فائق، وموثوقية فائقة، وأمان فائق، ونشر فائق المرونة، والتحكم الذكي في التشغيل والصيانة، وما إلى ذلك.

سنتحدث اليوم بشكل أساسي عن أهم سرعة النطاق الترددي.

إن تطور تكنولوجيا الاتصالات الضوئية إلى يومنا هذا، من أجل تحقيق تحسين السرعة، ما هو إلا التركيز على الجوانب التالية:

أولاً، هناك معدل الباود.

معدل الإرسال، المعروف أيضًا باسم معدل البت، هو عدد البتات المرسلة لكل وحدة زمنية، ويقاس بالبت في الثانية.

معدل البت=معدل الباود مضروبًا في عدد البتات الثنائية المقابلة لحالة تعديل واحدة.

معدل الباود هو عدد الرموز المرسلة لكل وحدة زمنية. كلما ارتفع معدل الباود، كلما تم نقل المزيد من الرموز في الثانية، وبالطبع كلما زادت كمية المعلومات، مما يؤدي إلى زيادة السرعة.

يتم تحديد معدل الباود من خلال قدرة الجهاز البصري. كلما كانت عملية شريحة الجهاز أكثر تقدمًا، ارتفع معدل الباود، وارتفع معدل البت.

في الوقت الحاضر، زادت عملية CMOS من 16 نانومتر إلى 7 نانومتر و5 نانومتر، وزاد معدل الباود تدريجيًا من 30+GBaud إلى 64+GBaud، و90+GBaud، و128+ GBaud.

يتوفر 400G الحالي تجاريًا بفضل معدل البث بالباود الذي يصل إلى 128 جيجا بايت.

دعونا نلقي نظرة أخرى على طريقة التعديل.

يتم تحديد "الأرقام الثنائية المقابلة لحالة تعديل واحدة" في الصيغة الآن بواسطة طريقة التعديل.

تشتمل مخططات التعديل لتقنية 400G حاليًا بشكل أساسي على 16QAM و16QAM-PCS (PCS هي تقنية تشكيل الاحتمالات، والتي سيتم تقديمها بالتفصيل في المرة القادمة)، وQPSK، وهي مناسبة لسيناريوهات التطبيقات المختلفة.

يختلف الاتصال البصري عن الاتصال اللاسلكي من حيث أنه لا يسعى بشكل أعمى إلى تعديل عالي الترتيب.

كلما انخفض ترتيب التعديل، انخفضت متطلبات الخط، وانخفضت تكلفة إنشاء الشبكة. لذلك، في مرحلة التصميم المبكرة للشبكات الأساسية للمسافات الطويلة، كان التركيز بشكل أساسي على 16QAM وQPSK. وفي وقت لاحق، انضم 16QAM-PCS أيضًا إلى المنافسة.

في السابق، لم يكن هناك ذكر لـ "حساب الشرق والغرب"، ويعتقد المشغلون أن 400G لن يتطلب إرسالًا لمسافات طويلة جدًا. لذلك، فإن اعتماد أجهزة ذات معدل باود منخفض مع تكنولوجيا أكثر نضجًا وأسعار أقل، بالإضافة إلى 16QAM مع ترتيب تعديل أعلى، هو الرأي السائد في الصناعة.

وفي وقت لاحق، من ناحية، وبسبب المتطلبات المتزايدة لمسافة الإرسال، زادت من أكثر من 1000 كيلومتر إلى عدة آلاف كيلومتر. من ناحية أخرى، نضجت أجهزة معدل الباود 128 جيجا بايت بسرعة (في سيناريو DCN، ارتفع 800 جيجا بسرعة، مما أدى إلى تحفيز وتعزيز سلسلة الصناعة)، مما خلق الظروف الملائمة لتميز QPSK.

يتمتع QPSK بتسامح أعلى مع اللاخطية ويمكنه زيادة طاقة الإدخال بشكل مناسب مقارنةً بـ 16QAM-PCS. ثانيًا، تم تحسين عتبة OSNR المتتالية لـ QPSK مقارنةً بـ 16QAM-PCS. علاوة على ذلك، فإن ضبط تباعد قناة QPSK على 150 جيجا هرتز يضمن عدم وجود تكلفة ترشيح تقريبًا أثناء الإرسال.

هذه المزايا جعلت QPSK تدريجيًا الخيار المفضل في الصناعة للشبكات الأساسية وDCI.

مقارنة تقريبية بين ثلاثة خيارات

الآن، يتم النظر في الخيارين الأولين بشكل أكثر شيوعًا للتطبيقات الحضرية أو الإقليمية.

ثالثا، توسيع نطاق التردد.

يؤثر معدل الباود والتشكيل بشكل أساسي على معدل الموجة الواحدة. يمكن أن يحتوي كابل الألياف الضوئية على موجات متعددة، طالما أن النطاق الطيفي كبير بما يكفي.

عرض النطاق الترددي للموجة المفردة × الرقم الموجي للألياف المفردة=عرض النطاق الترددي للألياف المفردة.

كما هو مذكور في الجدول السابق، يصل تباعد القنوات في QPSK 400G إلى 150 جيجا هرتز. كل من النطاق C التقليدي والنطاق C الممتد غير كافيين لتلبية الطلب على عرض النطاق الترددي.

لذلك، يتم اعتماد طريقة C6T+L6T تدريجيًا، مع عرض نطاق ترددي إجمالي يبلغ 12THz. احسب أنه مع وجود 80 موجة وموجة واحدة تبلغ 400G، فإن السعة الإجمالية للليف الواحد هي 32T. إذا ضحينا ببعض المسافة واستخدمناها لتوفير التكاليف، فإن نشر QPSK أو 16QAM-PCS يمكن أن يزيد السعة بشكل أكبر، حيث يصل إلى 48T.

للحصول على مقدمة تفصيلية لنطاقات التردد، يمكنك الاطلاع هنا: ما هي نطاقات التردد للاتصالات الضوئية؟

أكبر مشكلة في توسيع نطاق التردد هي ما إذا كان الجهاز يمكنه دعمه وما إذا كان يمكن التحكم في التكلفة. تشمل الأجهزة المشار إليها هنا ITLA، وCDM، وICR، وEDFA، وWSS، والتي تتضمن إرسال واستقبال الضوء، بالإضافة إلى تبادل وتضخيم المسارات البصرية.

عندما يتعلق الأمر بتوسيع النطاق، هناك أيضًا مشكلة معنية، وهي التكامل.

إن امتداد النطاق الحالي هو في الواقع أشبه بربط بسيط لنظامين (C وL). يعمل نظامان بشكل مستقل، ويرسلان من خلال تعدد الإرسال، ثم ينقسمان في الطرف المقابل، ويستمر كل منهما في المعالجة.

إذا كان هناك نظامان، فسيكون الحجم أكبر، وسيكون استهلاك الطاقة أعلى، وسيكون التصميم أكثر تعقيدًا. لذا، تحتاج الصناعة إلى دراسة كيفية دمج الأجهزة وإنشاء نظام يدعم نطاقات موسعة مختلفة في نفس الوقت. وهذا يعني تحقيق التكامل الحقيقي.

تتطلب اتصالات الألياف الضوئية، بالإضافة إلى الوحدات والمعدات البصرية، الاهتمام أيضًا بالألياف الضوئية.

الألياف الضوئية السائدة حاليًا هي الألياف الضوئية G.652D. يمكن لـ 400G QPSK أيضًا إرسال مسافة 1500 كيلومتر على G.652D مع تضخيم EDFA.

وبعد سنوات من التحقق، حددت الصناعة ألياف G.654E باعتبارها الخليفة الجديد. في حالة استخدام G.654E ذو الأداء الأفضل، في ظل نفس الظروف، يمكن زيادة مسافة الإرسال 400G QPSK بأكثر من 30%.

ز. يتمتع كابل الألياف الضوئية 654E بالقدرة على الإنتاج على نطاق واسع وسيتم نشره على الخطوط الرئيسية للمسافات الطويلة على نطاق واسع. ز. أصبحت بعض الألياف الضوئية منخفضة الخسارة من سلسلة 654 أيضًا الخيار المفضل للنقل لمسافات طويلة عبر المحيطات في أنظمة الكابلات البحرية.

وبصرف النظر عن الألياف الضوئية التقليدية. تعتقد الصناعة أيضًا أن الألياف متعددة النواة والألياف المجوفة لها آفاق تطبيق واسعة.

الألياف متعددة النواة هي نوع من مضاعفة التقسيم المكاني، حيث يتم إدخال المزيد من نوى الألياف في ليف واحد ويتم استخدام أوضاع قليلة لزيادة سعة الألياف بشكل كبير.

تعتبر كابلات الألياف الضوئية المجوفة أكثر إثارة للإعجاب. ما عليك سوى جعل كابل الألياف الضوئية مجوفًا واستبدال قلب الألياف الزجاجية بالهواء.

لقد ثبت أن الألياف المجوفة توفر سعة أكبر، وزمن وصول أقل، وخسارة إرسال أقل، وعدم خطية منخفضة للغاية، وتعتبر على نطاق واسع واحدة من أكثر التقنيات الواعدة في مجال الاتصالات البصرية من قبل الصناعة.

الخطوة التالية لـ 400G أو 800G أو 1.6T؟

بعد النطاق التجاري الرسمي البالغ 400 جيجا، ستركز الصناعة بأكملها على النظام القياسي الفني الذي يتجاوز 400 جيجا.

لا تزال الصناعة تناقش بشكل مكثف ما إذا كانت ستستمر في استخدام 800G أو 1.2T أو ​​1.6T.

إذا كنت ترغب في تحقيق سرعات أعلى، عليك الاستمرار في العمل على "طريقة التعديل + معدل الباود". 130 جيجابايت، أو حتى أعلى عند 260 جيجابايت، هو الاتجاه الحتمي. يعني معدل الباود الأعلى أن الأجهزة ذات الصلة يجب أن تواكب وتشكل سلسلة صناعية ناضجة.

بعد 400G، لم يعد بإمكاننا الاعتماد على QPSK. يعد تعديل 16QAM حاليًا خيارًا معترفًا به على نطاق واسع في الصناعة.

ويحتاج نطاق التردد أيضًا إلى مزيد من التوسع. على أساس توسيع C وL، فكر في التوسع إلى النطاق S، والنطاق U، والنطاق E، وما إلى ذلك. إذا كان C+L+S، فهو 12T+5T، مما يحقق عرض نطاق ترددي قدره 17 هرتز.

مع مزيج من العوامل المتعددة، يمكن أن يتجاوز معدل نقل الألياف الواحدة في اتجاه واحد 100 تيرابت في الثانية، وهو أمر قريب جدًا.

داخل مركز البيانات، أصبح 800G (استنادًا إلى معدلات الباود التي تزيد عن 100 جيجا بايت في اليوم، وقناة واحدة 100 جيجا بايت) متاحًا تجاريًا. قناة واحدة 200G، 400G، 800G، إنها مسألة وقت فقط. وفي هذا الصدد، يكون التقدم أسرع في الخارج.

ومع الزيادة المستمرة في القدرات، تتزايد أيضًا التحديات التكنولوجية التي تجلبها. وبعبارة أخرى، يعتمد تطوير الاتصالات البصرية على الأجهزة والرقائق والعمليات والمواد.

ولتلبية متطلبات استهلاك الطاقة والأمن والتشغيل والصيانة المذكورة سابقًا، فإنها تعتمد أيضًا على سلسلة من الابتكارات مثل التكنولوجيا والهندسة المعمارية والتعبئة والتغليف والذكاء الاصطناعي والتوائم الرقمية. لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به في المراحل الأولية والنهائية للسلسلة الصناعية. الطريق أمامنا لا يزال طويلاً.