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資料中心需求爆量 400G高速網路方案就緒
新通訊 20186 月號 208 期《 封面故事 》
文.廖專崇
有線高速網路在資料中心高頻寬需求帶動之下,將從100G往400G邁進,儘管技術架構才剛確立,目前市場主流還以100G為主,不過在高畫質影音、電競、虛擬貨幣、物聯網、AI、社群平台等應用的持續發展之下,產業鏈皆摩拳擦掌樂觀看待400G高速網路的發展前景。
自從行動通訊進入3G時代,經過大約20年的發展,人們對於網路的應用正式進入下一個階段,從早期純數據與固定式網路產生的資料,到3G正式導入影音應用,尤其是無所不在的行動影音,這兩年不僅行動網路速度已經提升到可以流暢傳送高畫質影音,造成人們每年產生的數據資料一直呈現指數型的成長,無所不在的影音與直播活動,讓網路發展越加蓬勃。 

此外,近年許多新興產業趨勢助長網路資料的直線成長,物聯網(IoT)、人工智慧(AI)等都產生大量網路資料,根據研究單位資料,到2020年時,全球產生的數位資料將高達40ZB,大概等於430億TB,除了人,機器也無時無刻在「生產」資料,這些資料不斷產生並傳播,網路頻寬的需求也因此大幅提升。有線網路在局端(Central Office, CO)包括資料中心,需求大量且穩定的傳輸效能,預計將快速地從100G邁向400G時代。 

25G為有線高速網路基礎 

2014年由Google、微軟、Arista、博通(Broadcom)和Mellanox等公司發起成立了25G乙太網聯盟的供應商組織,正式進行25/50G乙太網路的標準化,並促進相關產品的研發。 

IEEE和IEEE-SA接著宣布推出新25G乙太網標準規範,包括25Gbps媒體存取控制(MAC)參數、物理層和管理參數,可實現3到5公尺的雙軸銅線以及100公尺的多模光纖傳輸,自此有線高速傳輸從10G/40G進入25G時代。 

圖1 安立知業務暨技術支援部副理王榆淙表示,目前主流應用是100G,2018下半年部分最新的資料中心有機會導入200G解決方案。
而25Gbps和50Gbps每通道技術是100G(4×25Gbps)和400G(8×50Gbps)乙太網路標準的基礎,因此相比10G乙太網,業界開始傾向於選擇25G乙太網路,從25G到目前的100G/200G網路,一直到未來的400G與800G網路基本上都是以25G網路為基礎發展。單路25G網路藉由多埠組合可以發展最多400G的交換器,不過在應用上還需要看實際的需求而定,安立知業務暨技術支援部副理王榆淙(圖1)表示,目前主流應用大概是100G,2018年下半年部分最新的資料中心機房有機會導入200G解決方案。至於400G或800G,雖然單通道100G標準制定剛完成,國內網通廠智邦已搶先於2018年3月發表業界首款400G開放式網路交換機,提供32個QSFP-DD端口,每個端口可以支援400G操作,採用1U外形,400G交換器最快在下半年可望小量出貨,正式量產時間可能在2018年底,顯著的商機應該在2019年才會逐步發酵。 

PAM-4訊號調變為下世代主流 

單路25G的技術與單路100G的技術其實都是以25G為基礎,太克科技應用工程師沈忠榮(圖2)指出,主要是透過調變技術的改變,由過去的不歸零(Nonreturn to Zero, NRZ)訊號傳輸轉變到四階脈波振幅調變(Pulse Amplitude Modulation-4, PAM-4)訊號傳輸。NRZ訊號傳輸,每一次只依序傳輸一個資料位元,在有效的時間內,訊號可依據不同的電壓位準代表1或是0,意即每個符號具有一個位元編碼。 

圖2 太克科技應用工程師沈忠榮指出,單路100G技術主要是由過去的不歸零(NRZ)訊號調變轉變到四階脈波振幅調變(PAM-4)訊號傳輸。
PAM-4訊號傳輸能實現四種可能的電壓位準,產生三個堆疊眼圖,四個獨特的電壓位準,讓每個符號代表兩個位元。波特率(Baud Rate)指的是每秒發生的訊號數或符號變化。對於指定的波特率或是基本奈奎斯特頻率,PAM-4技術可以得到兩倍於NRZ訊號傳輸的位元速率。使用同樣的波特率,PAM-4可達到兩倍的傳輸吞吐量。 

與傳統的二進位NRZ方法相比,雖然PAM-4是比較複雜的流程,但能夠為資料速度帶來重大改進。在NRZ訊號傳導中,資料是以PAM-2來傳輸,其中每個脈衝只有兩個數據編碼級(0或1)。在PAM-4中,每個脈衝則有四個編碼級(0、1、2或3),而在一整個位元組中將有兩個脈衝會被編碼,表示被傳輸的資料將會有8位元。 

在應用與市場發展部分,經過2017年的高度需求與成長,今明兩年在熱門的應用上,資料中心業者對於導入新設備與擴充頻寬普遍都有較高的信心。 

資料中心帶動高速網路發展 

王榆淙解釋,如即時影音、電競、挖礦機、社群平台等的發展趨勢亦是觀察重點,其中即時影音是否順利從Full HD提升到4K甚至8K;電競除手遊之外也牽涉到AR/VR的發展,能否再帶動一波風潮;虛擬貨幣引發的挖礦商機,近來已有退燒的跡象,能否建立市場秩序與商業模式,都是後續發展的重點。此外,社群平台是過去這段時間網路發展的核心之一,未來能否在個資的應用上對使用者更有保障,解除消費者疑慮,相當重要。 

另外,資料中心屬於資本投資龐大的產業,所以業者在擴充網路頻寬時還有許多層面的考量,資料中心的營運者會持續尋找靈活的解決方案,滿足傳輸量需求並降低每位元傳輸成本,許多商用乙太網路交換機ASIC都針對傳輸量或靈活性進行最佳化,從中取得性能的平衡。例如,業界會需要基於硬體的遙測功能,用來提供網路和緩衝器狀態的即時可視性,許多解決方案缺乏這種高階功能,或在降低頻寬能力時才能提供該功能。 

而且資料中心屬於高耗能產業之一,如何在頻寬與電力的消耗上取得平衡,也是考量的重點,採用模組化的方法建構交換機理論上可以擁有較高的能源效率,並能透過可配置性來匹配特定埠數、速度或扇出要求。模組化架構意味著系統不會產生不必要的能力過剩,並且可以將適當的I/O組合分配給任何級別的交換機,因此,與交換機設計相關的功耗和成本都較低。 

400G高速網路產業鏈蓄勢待發 

採用PAM-4調變,單通道可達100G的架構已經可以說是未來幾年高速網路的主流趨勢,王榆淙認為,屆時交換機每埠傳輸速率將從200Gbps起跳,逐漸發展到400Gbps,傳輸介質則以光纖為主流,因為相較之下銅纜線效率較差,只適合部分短距離應用。與現行的NRZ調變架構相較,採用PAM-4架構需要升級晶片,並在長距離傳輸時,為免訊號衰減而適時增加強波器,強化訊號完整性,至於其他架構並無太大更新需要。 

目前產業鏈的發展,最上游的交換器晶片以博通主導,市場占有率超過90%,2016年甫自聯發科網通產品部門獨立的擎發通訊科技(Nephos)是少數的競爭對手,目前據傳也積極發展100G與400G交換器晶片,試圖挑戰博通的市場地位。 

PAM-4/NRZ收發器也是另一個關鍵零組件,這部分可編程元件FPGA廠商賽靈思(Xilinx)與英特爾(Intel)皆有涉獵,Intel今年3月發表Stratix 10 TX FPGA提供144個收發器通道,可支援近8Tbps的總頻寬和1~58Gbps的資料速率。支援雙模調製、58G PAM-4和30G NRZ的新基礎設施可達到58G的資料速率。Xilinx則是發表在單一鏈路上進行全雙工112G PAM-4傳送訊號的方案,以及58G PAM-4收發器採用16奈米FPGA製程。 

而在上游晶片與收發器就位之後,下游的網路交換器也會逐步問世,前述台廠智邦已經積極搶下400G交換器的頭香,預計下半年其他廠商也將陸續推出相關產品,包括明泰、代工廠廣達、英業達等都將積極發展,沈忠榮說,繼網路交換器之後,網路伺服器的商機也會逐漸浮出水面,時間預計就在2019~2020年。 

因應新技術與標準的商機,測試設備廠商同樣也已準備好解決方案,安立知的誤碼分析儀可以進行400G高速網路所需的Rx測試,綜合測試儀則是針對100/200/400G TRx測試需求所設計,網路封包測試儀則可支援1.5Mbps到100Gbps網路封包進行測試。太克也推出包括新款光學探針、即時示波器、PAM-4即時示波器軟體、取樣示波器、取樣示波器光學模組、PAM-4取樣示波器軟體等解決方案。

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