광학 상호 연결을 사용하여 데이터 센터의 성능을 최적화하는 방법

클라우드 및 기타 데이터 센터에서의 안정적이고 짧은 대기 시간의 통신에 대한 사용자의 수요에 대응하기 위해, 고속, 저전력, 그리고 견고한 광섬유 상호 연결에 대한 필요성이 증가하고 있습니다. 광섬유 트랜시버는 데이터 센터에서 특정하게 요구하는 400기가비트/초(G)의 속도까지 충족하도록 최적화될 수 있습니다. 광섬유 데이터 센터 통신에 관한 주요 모듈 표준으로는 소형 폼 팩터 플러그형(SPF), SPF+ 및 쿼드 소형 폼 팩터 플러그형(QSFP)이 있습니다. SPF, SPF+ 및 QSPF의 차이점 중 하나는 정격 전송 속도입니다. 하지만 정격 전송 속도는 트랜시버를 선택할 때 고려해야 할 여러 요소들 중 하나일 뿐이며, 트랜시버 선택 시에는 전력 소비 및 열 관리, 필요한 전송 거리, 작동 온도 범위, 통합 진단 및 기타 요소 또한 모두 고려해야 합니다. 또한 네트워크 엔지니어는 광 트랜시버의 전송 범위와 수신기 감도를 테스트하는 효과적인 방법을 필요로 합니다.

이 기사에서는 광섬유 트랜시버를 선택할 때 중요한 고려 사항을 검토하는 것으로 시작하여 SPF, SPF+, QSFP 및 QSFP-DD(이중 밀도)에서 제공하는 하드웨어 인터페이스 옵션을 비교하고, Intel Silicon Photonics, II-VI 및 Cisco Systems의 트랜시버 모듈을 소개합니다. 그리고 400G 장치용 ColorChip의 루프백 모듈과 차세대 800G 트랜시버용 Multilane의 평가 기판을 포함한 광섬유 장치 테스트를 살펴보며 마무리합니다.

단일 모드와 다중 모드 비교

데이터 통신을 위한 광섬유는 유리 피복재에 둘러싸인 유리 코어로 구성되며 각기 다른 굴절률을 가집니다. 통상적인 다중 모드(MM) 광섬유는 50μm 코어를 가지며 750nm ~ 850nm 파장으로 작동하는 반면, 단일 모드(SM) 광섬유는 9μm 코어를 가지며 일반적으로 1310nm ~ 1550nm 파장으로 작동합니다. MM 광섬유의 경우 빛의 파장이 차단 파장보다 짧으므로 빛이 광섬유 아래로 전파되는 다중 모드가 발생하게 됩니다. SM 광섬유의 더 작은 코어는 지정된 파장에 대해 하나의 모드만 전파할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: SM 광섬유의 작은 코어에서는 두 개 이상의 모드로 빛을 전송하는 기능이 제한됩니다. (이미지 출처: Cisco)

MM 광섬유에서는 모달 분산과 모달 잡음 때문에 이러한 영향을 받지 않는 SM 광섬유와 비교하여 대역폭이 제한됩니다. 또한, SM 광섬유는 MM 광섬유에 비해 훨씬 더 긴 전송 거리를 지원할 수 있습니다. 데이터의 광 전송은 통신의 방향별로 서로 다른 파장을 사용함으로써 이루어집니다. 예를 들어 광 트랜시버 한 세트에서는 1330nm와 1270nm 파장의 조합을 사용합니다. 하나의 트랜시버는 1330nm 신호를 전송하고 1270nm 신호를 수신하며, 다른 트랜시버는 1270nm 신호를 전송하고 1330nm 신호를 수신합니다(그림 2).

그림 2: 광 트랜시버는 데이터 송수신에 서로 다른 파장을 사용합니다. (이미지 출처: Cisco)

전력 및 열

데이터 센터 운영자는 전력 및 열 관련 비용에 민감합니다. 데이터 통신 케이블을 위한 비차폐 연선(UTP)은 저렴합니다. 하지만 광섬유 트랜시버에 필요한 1W 이하의 전력 소비에 비하면, UTP 트랜시버는 약 5W의 전력까지 소비할 수 있습니다.

UTP 트랜시버에서 발생하는 추가 열을 데이터 센터에서 제거해야 하므로 전체 에너지 비용이 거의 10배까지 증가합니다. 케이블 길이가 매우 짧거나 데이터 전송률이 낮다는 점을 제외하면, 대부분은 광섬유 트랜시버가 UTP 솔루션에 비해 전체 수명 운영 비용이 더 저렴합니다.

또한 UTP 케이블은 광섬유 케이블에 비해 지름이 더 큽니다. UTP 케이블은 고밀도 데이터 센터의 바닥 아래에 설치된 일부 케이블 트레이에 맞추기에는 너무 클 수 있습니다. 게다가 10G로 전송되는 Cat 6A 케이블의 경우, UTP 케이블 간의 누화를 관리하기가 어려울 수 있습니다. MM 광섬유는 저비용 트랜시버를 사용하지만 40G 또는 100G 전송에 병렬 광학을 사용할 경우 케이블 설치 관리 비용이 더 늘어납니다. 데이터 전송률이 계속해서 상승함에 따라, SM 광섬유는 저전력, 저비용 및 소형 솔루션 크기라는 최상의 조합을 제공할 수 있습니다.

온도 범위 선택

데이터 센터는 전용 시설부터 사무실 내의 벽장, 창고, 공장 등의 다양한 환경에 설치됩니다. 광섬유 트랜시버는 특정 환경에 대한 요구 사항을 충족하는 세 가지 표준 온도 범위로 제공됩니다.

• 0°C ~ +70°C 온도 범위는 C-temp 또는 COM이라 불리며, 상용 및 표준 데이터 센터 환경을 위해 설계되었습니다.
• -5°C ~ +85°C 온도 범위는 E-temp 또는 EXT라고 불리며, 보다 까다로운 환경에서 사용할 수 있습니다.
• -40°C ~ +85°C 온도 범위는 I-temp 또는 IND라 불리며, 산업용 설비에 사용됩니다.

통상적인 광 트랜시버는 주변 온도보다 약 20도 더 높은 케이스 온도까지 작동하게 되어 있습니다. 주변 온도가 +50°C를 초과하거나 -20°C 아래로 떨어지는 환경에서는 IDN 등급 송수신기가 사용됩니다. 일부 응용 제품에서는 '콜드 스타트'가 가능한 트랜시버가 요구됩니다. 콜드 스타트 작동 중에 네트워크는 트랜시버의 I²C 및 기타 저속 인터페이스에 액세스할 수 있지만, 데이터 트래픽은 케이스 온도가 -30°C에 도달할 때까지 시작되지 않습니다. 신뢰할 수 있는 네트워크 작동을 보장하려면 광섬유 트랜시버의 작동 온도를 모니터링하는 것이 중요합니다.

디지털 광학 모니터링

디지털 진단 모니터링(DDM)이라고도 불리는 디지털 광학 모니터링(DOM)은 광섬유 트랜시버의 디지털 모니터링에 초점을 맞춘 다중 소스 계약(MSA)의 일부인 SFF-8472에 정의되어 있습니다. 여기에 포함된 기능은 다음과 같습니다.

• 모듈 작동 온도 모니터링
• 모듈 작동 전압 모니터링
• 모듈 작동 전류 모니터링
• 광 출력 송신 및 수신 모니터링
• 파라미터가 안전 수준을 초과하면 경보 발생
• 요청 시 모듈의 공장 정보 제공

DOM은 SFF-8472에 의해 지정된 대로 특정 경보 플래그 또는 경보 조건을 정의합니다. DOM은 네트워크 관리자가 모듈 성능을 모니터링하고 장애가 발생하기 전에 교체해야 할 모듈을 식별하는 데 도움이 됩니다.

최대 100G 속도의 경우, 광 트랜시버 모듈은 SFF 8636에 의해 정의된 기본 메모리 매핑 명령 시스템을 사용하여 I²C 제어 인터페이스를 통해 관리됩니다. 그보다 더 고속의 모듈은 복잡한 이퀄라이제이션이 요구되는 PAM-4 인터페이스를 포함하기 때문에 관리하기가 더 복잡합니다. 공통 관리 인터페이스 사양(CMIS)은 고속 모듈에서 SFF-8472/8636을 대체하거나 보완하기 위해 개발되었습니다.

폼 팩터와 변조 방식

SFP 트랜시버는 구리 및 광섬유 네트워크에 사용될 수 있습니다. SFP 모듈을 사용하면 개별 통신 포트를 다양한 유형의 트랜시버로 채울 수 있습니다. SFP 폼 팩터 및 전기 인터페이스의 규격은 MSA에 명시되어 있습니다. 기본 SFP 트랜시버는 광섬유 채널에 대해 최대 4G의 데이터 전송률을 지원할 수 있습니다. 새로운 SFP+ 사양은 최대 10G, 최신 SFP28 사양은 최대 25G를 지원합니다.

더 큰 QSFP 트랜시버 표준은 이에 상응하는 SFP 장치보다 4배 더 빠른 전송 속도를 지원합니다. QSFP28 변형은 최대 100G 속도를 제공하는 반면 QSFP56은 200G로 두 배의 속도를 제공합니다. QSFP 트랜시버는 4개의 전송 채널과 4개의 수신 채널을 통합하며, '28'은 각 채널(또는 레인)이 최대 28G의 데이터 전송률을 지원할 수 있음을 의미합니다. 결과적으로 QSFP28은 트랜시버에 따라 4 x 25G 구성(브레이크아웃), 2 x 50G 브레이크아웃 또는 1 x 100G를 지원할 수 있습니다. QSFP 포트가 SFP 포트보다 크기 때문에 어댑터를 사용할 수 있으므로 SFP 트랜시버를 QSFP 포트에 배치할 수 있습니다.

최신 변형인 QSFP-DD는 일반 QSFP28 모듈에 비교해 인터페이스 수가 두 배입니다. 또한, 새로운 사양은 50G를 제공할 수 있는 펄스 진폭 변조 4(PAM4)를 지원하여, 전송 속도가 추가로 두 배가 빨라지고 QSFP28 모듈에 비해 전체 포트 속도가 4배 증가합니다.

광섬유 트랜시버에 사용되는 영점 비복귀(NRZ) 변조는 두 단계로 빛의 강도를 변조합니다. PAM은 4단계의 빛의 강도 레벨을 사용해 각 광학 펄스 주기에서 1비트 대신 2비트를 인코딩하여, 동일한 대역폭에서 데이터를 거의 두 배로 늘릴 수 있도록 합니다(그림 3).

그림 3: 더 복잡한 PAM4 전송은 NRZ보다 훨씬 더 많은 데이터를 전달합니다. (이미지 출처: Cisco)

대규모 데이터 센터를 위한 QSFP-DD

대규모 클라우드 및 기업용 데이터 센터 설계자는 Intel Silicon Photonics의 SPTSHP3PMCDF QSFP-DD 광 트랜시버를 사용할 수 있습니다. 이 모듈은 2km 전송이 가능하고 0°C ~ +70°C에서 작동하도록 지정되었으며, SM 광섬유를 통한 400G 광학 연결 또는 브레이크아웃 응용 제품을 위한 4개의 100G 광학 연결을 지원합니다(그림 4). 이 QSFP-DD 트랜시버의 특징은 다음과 같습니다.

• 4 x 100G Lambda MSA 광학 인터페이스 사양 및 IEEE 400GBASE-DR4 광학 인터페이스 표준 준수
• IEEE 802.3bs 400GAUI-8(CDAUI-8) 전기 인터페이스 표준 준수
• I²C를 통한 전체 모듈 진단 및 제어를 포함하여 CMIS 관리 인터페이스 표준 준수

그림 4: 이 QSFP-DD 트랜시버의 범위는 2km입니다. (이미지 출처: Intel)

다중 모드 SFP+

II-VI의 FTLF8538P5BCz SFP+ 광 트랜시버에는 DDM 기능이 통합되어 있으며, MM 광섬유를 통해 25G 데이터 전송률에서 사용하도록 설계되었습니다(그림 5). 0°C ~ +70°C의 온도에서 작동하도록 설계되었습니다. 기타 특징은 다음과 같습니다.

• 850nm 수직 공진 표면 발광 레이저(VCSEL) 송신기
• 50/125μm OM4, M5F MMF 케이블을 통한 100m 전송
• 50/125μm OM3, M5E MMF 케이블을 통한 70m 전송
• 30m, OM3 케이블과 40m, OM4 케이블의 경우 1E-12의 비트 오류율(BER)
• 1W 최대 전력 소비

그림 5: 이 SFP+ 트랜시버는 25G로 정격되며 MM 광섬유를 사용합니다. (이미지 출처: II-VI)

SPF 단일 모드

Cisco의 SFP-10G-BXD-I 및 SFP-10G-BXU-I는 최대 10km의 전송 거리를 지원하는 SM 광섬유로 작동합니다. SFP-10G-BXD-I는 항상 SFP-10G-BXU-I에 연결됩니다. SFP-10G-BXD-I는 1330nm 채널을 전송하고 1270nm 신호를 수신하며, SFP-10G-BXU-I는 1270nm 파장에서 전송하고 1330nm 신호를 수신합니다. 이러한 트랜시버에는 성능을 실시간으로 모니터링하는 DOM 기능도 포함되어 있습니다.

테스트를 위한 루프백

네트워크 및 테스트 엔지니어와 기술자는 광섬유 루프백과 루프백 모듈을 사용하여 광학 네트워크 장비의 전송 능력과 수신기 감도를 테스트할 수 있습니다. ColorChip은 -40°C ~ +85°C 온도에서 2000주기의 높은 사용량 시나리오를 지원하는 루프백 모듈을 제공합니다(그림 6). 이 루프백 모듈에는 200/400G 이더넷, Infiniband 및 광섬유 채널에 대한 실제 케이블링을 에뮬레이션하는 내장형 삽입 손실 특성과 광학 모듈 전력을 에뮬레이션하는 소프트웨어로 정의된 다중 전력 소비가 포함되어 있습니다. 내장된 서지 전류 보호 기능은 테스트되는 장치의 손상 위험을 완화합니다. 이 루프백 모듈은 포트 테스트, 현장 배포 테스트 및 장비 문제 해결 용도로 사용됩니다.

그림 6: 이 루프백 모듈은 광 트랜시버 성능을 테스트하도록 설계되었습니다. (이미지 출처: DigiKey)

800G QSFP 개발 키트

Multilane은 차세대 800G 트랜시버를 대비하는 네트워크 엔지니어를 위해 ML4062-MCB을 제공합니다. 이는 QSFP-DD800 트랜시버 및 활성 광케이블을 프로그래밍하고 테스트하기 위한 효율적이고 사용하기 쉬운 플랫폼을 제공합니다(그림 7). GUI는 QSFP-DDMSA에 의해 정의된 모든 특징을 지원하고 구성 공정을 단순화합니다. 이는 QSFP-DD 트랜시버 모듈 테스트, 특성화 및 제조를 위한 실제 환경을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있으며, OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 및 OIF-CEI-56G-VSR-NRZ 사양을 준수합니다.

그림 7: 이 개발 플랫폼은 차세대 800G 트랜시버와 함께 사용하도록 설계되었습니다. (이미지 출처: DigiKey)

요약

광섬유 트랜시버는 고속, 콤팩트한 크기 및 저전력 솔루션을 위한 데이터 센터 네트워크 엔지니어의 요구 사항을 지원합니다. 이러한 트랜시버는 SM 또는 MM 광섬유와 함께 다양한 형식과 세 가지 표준 작동 온도 범위에서 사용할 수 있습니다. 루프백 모듈은 광섬유 네트워크 요소의 성능을 검증하는 데 사용될 수 있습니다. 개발 플랫폼을 사용하여 800G 트랜시버의 기능을 알아보고 차세대 광섬유 기반 네트워크에 대비할 수 있습니다.