Die (R)Evolution der Rechenzentren; Teil 16

IEEE 802.3ba – 40- und 100-Gigabit-Ethernet-Varianten im Überblick

23.03.2011 | Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Andreas Donner

EOM-VCSEL, eine VCSEL mit Elektro-Optischer Modulation, ist eine wichtige Entwicklung im Bereich 40- und 100 GbE; Bild: VIS Berlin / Dr. Franz-Joachim Kauffels
EOM-VCSEL, eine VCSEL mit Elektro-Optischer Modulation, ist eine wichtige Entwicklung im Bereich 40- und 100 GbE; Bild: VIS Berlin / Dr. Franz-Joachim Kauffels

Da dies in Rechenzentren die mit Abstand für diesen Leistungsbereich am meisten verbreitete Technologie sein wird, konzentrieren wir uns in dieser Folge zunächst auf die Möglichkeiten zur Benutzung von MMF für 40 und 100 GbE. Die SMF-Versionen sind besonders für den Campus von Interesse. Im Bereich der Server können auch Kupferversionen für kurze Distanzen zum Einsatz kommen.

Das Ziel ist es, 40 und 100 GbE wenigstens über eine Distanz von 100 Metern auf OM3 MMF zu ermöglichen. Hierzu gibt es verschiedene Lösungsmöglichkeiten, favorisiert werden parallele Fasern bei ungefähr 10 GbE pro Faser, angesteuert durch ein VCSEL-Array bei 850 nm. Das bedeutet eine Kombination von existierender linearer 10 GbE-Technologie und existierender paralleler 12 X 2,7G oder (4+4) X 2,5G-Technologie. Beide funktionieren gut und sind preiswert. Betrachtete Alternativen sind

  • 10X (4X) 10,3 Gbaud (64/66),
  • 12 X 10 Gbaud (8B/10B) oder WDM z.B. mit zwei Wellenlängen zur Kostenreduktion bei den Kabeln; Vorteile: geringer Leistungsbedarf, ca. 1,5 W für 40, 3W für 100 GbE, kompakte Bauform und geringe Kosten

Nachteil der Konstruktion ist, dass hierfür mehrere parallele Fasern benötigt werden. Bei 40 GbE mag das mit 2 oder 4 noch angehen, bei 100 GbE werden es mit 5 oder 10 Fasern schon ziemlich viele. Allerdings setzt man auf bewährte Technik. Eine frühe Demonstration von IBM und Picolight auf der OFC 2003 mit 12 X 10 Gbps zeigte schon die Möglichkeiten. Mittlerweile sind VCSEL-Arrays längst Stand der Technik, auch in vielen anderen Anwendungsbereichen wie dem Flugzeugbau.

Die Verschleißzeit hängt von der Uniformität der Komponenten im Array ab. Ein 4er Array lebt insgesamt ca. 3/4 der Zeit einer einzelnen VCSEL, ein 12er Array lebt insgesamt ca. die halbe Zeit einer einzelnen VCSEL. Praktisch alle zufälligen Fehler sind durch den Burn-in eliminiert.

Bei Überspannung verenden Arrays mit 1, 4 oder 12 VCSELs gleichermaßen. Aber: man benötigt kein hermetisches Packaging, weil die VCSELs sehr unempfindlich gegenüber härteren Bedingungen sind, also z.B. 85 Grad Betriebstemperatur bei 85 Prozent Luftfeuchtigkeit locker wegstecken. So können auch die kompakten SFP+-Formfaktoren von 10 GbE problemlos übernommen werden. Die Kosten der VCSELs machen jedoch nur ein Bruchteil der Gesamtkosten für einen Transceiver aus. Im Grunde genommen gewinnt man sogar, wenn man größere Arrays macht, denn der sonst unbenutzte Rest des Wafers kommt ins Recycling.

Neuentwicklung EOM-VCSEL

Eine wesentliche Neuentwicklung ist die EOM-VCSEL, eine VCSEL mit Elektro-Optischer Modulation; siehe Abbildung 1. Wir könnten ja ohne die integrierte Vertikalemitterdiode die ganze Technologie vergessen, denn nur sie ist der Schlüssel zur preiswerten Massenfertigung. Leider war es bisher so, dass die VCSELs noch externe Modulatoren benötigten, wenn man eine gewisse Leistung anstrebt.

Es gibt verschiedene Begrenzungen von Standard-VCSELs. Hohe Geschwindigkeiten benötigen üblicherweise hohe Treiberstromdichten und hohe Treiberstromdichten beeinflussen die Lebensdauer negativ. Die EOM-VCSEL erreicht hohe Geschwindigkeiten durch ein Modulator-Medium. Mäßige erforderliche Treiberstromdichten erhöhen Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Komponenten, der benötigter Strom für den Modulator ist nahe Null und die Komponente zeichnet sich durch platzsparenden Aufbau aus. Der Laser läuft mit sehr geringem Stromverbrauch. Es gibt keinen lästigen Chirp bei der Modulation. Man erhält ein schmalbandiges Ausgangsspektrum, was sogar für die Kopplung an SMF geeignet ist. Die Modulationscharakteristik ist vom Laserstrom unabhängig und die Umschaltung kann mit sehr hoher Geschwindigkeit erfolgen.

Die EOM-VCSEL zieht geringe Kosten wegen Standard Epitaxialwachstum in einem Schritt und Standard-VLSI-Bearbeitung nach sich. Link-Simulationen mit 28 Gbps über 100m OM3-Faser und mit 40 Gbps über 100m OM4-Faser (dies ist ein neuer zu erwartender MMF-Standard mit einem Bandbreite-Reichweite-Produkt von 4.700 MHz*km auf der Faser) haben die Tragfähigkeit dieses neuen Konzepts nachgewiesen.

weiter mit: 40/100 GbE SMF PMDs

 

ComConsult Netzwerk-Redesign Forum 2011

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