Kunskap

Att välja mellan en optisk sammankoppling och en elektrisk sammankoppling är inte en fråga om att förklara en teknik snabbare eller mer avancerad. Den användbara tekniska frågan är var varje medium ryms inom den erforderliga bandbredden, räckvidden, effekt, densitet, latens och livscykel-kostnadsram.

Elektriska länkar förblir mycket effektiva på kort räckvidd. Faktum är att nuvarande OIF arbetar vidare224 Gb/s-elektriska gränssnittriktar sig mot chip-till-modul, chip-till-chip och backplane/koppar-kabelapplikationer. Optiska länkar blir mer övertygande när räckvidden, den sammanlagda bandbredden och kabeltätheten ökar, särskilt när elektriska förluster och utjämning börjar förbruka mer ström och designmarginal.

Den här guiden jämför de två på fullständig-länknivå och ger praktiska exempel på korsningar istället för att förlita sig på ett enda universellt avstånd.

Optisk vs elektrisk sammankoppling i ett ögonkast

Vad är en elektrisk sammankoppling?

En elektrisk sammankoppling överför data genom en ledande kanal såsom en PCB-spårning, kontakt, bakplan eller kopparkabel. Sändaren avger en elektrisk signal och mottagaren rekonstruerar data efter att signalen har passerat genom kanalen.

Elektrisk signalering är mogen och kan ha mycket hög prestanda. Utmaningen är att kanalen inte förblir lika lätt att använda när körfältshastigheten och avståndet ökar. Dämpning, impedansdiskontinuiteter, reflektioner, överhörning och brus kan kräva starkare sändarutjämning, mottagarutjämning, framåtriktad felkorrigering, omtiming eller bättre material.

OIF:s CEI-224G-arbete gör poängen tydligt: ​​elektrisk är inte synonymt med låg hastighet. CEI-224G-MR-projektet riktar sig till 144 till 232 Gb/s signalering över upp till 500 mm PCB och en kontakt, medan CEI-224G-LR riktar sig mot samma signaleringsområde över upp till 1000 mm bakplan och så många som två kontakter. Det är medvetet korta fysiska kanaler, men extremt höga körfältshastigheter.

För konventionella nätverkskablar förblir koppar användbar där det installerade gränssnittet och avståndet passar dess specifikation. HengtongsCat 6 patch-kablarär ett exempel på det bredare kopparekosystemet som används för korta-Ethernet-anslutning.

Vad är en optisk sammankoppling?

En optisk sammankoppling bär modulerat ljus genom fiber eller en fotonisk vågledare. En praktisk länk inkluderar normalt ett elektriskt gränssnitt, optisk sändare eller modulator, optisk kanal, fotodetektor och mottagarelektronik:

Elektriska data → optisk sändare → optisk kanal → optisk mottagare → elektriska data

Den konverteringskedjan spelar roll. Fiber i sig har låg förlust och är immun mot EMI, men den kompletta optiska länken förbrukar fortfarande ström och lägger till komplexitet i implementeringen. Den korrekta jämförelsen är därför inte kopparkabel kontra bar fiber; det är en komplett sändar-kanal-mottagararkitektur kontra en annan.

Implementeringen förändras också med avståndet.Multimode fiberanvänds ofta för korta-optiska länkar, medanenkel-mode fiberstöder arkitekturer med längre-räckvidd och hög-kapacitet. På utrustningsnivå är optiska länkar beroende av komponenter som t.exoptiska höghastighetssändtagare och optiska komponenter-.

Sex skillnader som spelar roll i verklig systemdesign

1. Bandbredd och räckvidd måste utvärderas tillsammans

Bandbredden ensam avgör inte mediet. Ett elektriskt körfält med mycket hög-hastighet kan fungera bra över en hårt kontrollerad kort kanal, medan optik kan upprätthålla hög sammanlagd bandbredd över mycket längre avstånd.

Två standardfamiljer illustrerar skalskillnaden. OIF CEI-224G elektriska projekt adresserar 144–232 Gb/s signalering över under-meterkort/bakplanskanaler. På den optiska sidan inkluderar IEEE P802.3bs 400GbE-baslinjerna 400GBASE-DR4 för minst 500 m enkel-fiber, ett 2 km enkel-mode-fiberobjektiv och ett 10 km enkelfiberobjektiv{{18}0}. Dessa är inte direkta en-för-en-ersättningar, men de visar varför ett universellt "crossover-avstånd" är missvisande: svaret beror på gränssnittsgenereringen och länkklassen.

DeIEEE P802.3bs baslinjesammanfattningär användbart när ett designteam behöver koppla ett data-mål till en faktisk räckviddsklass istället för att använda vaga fraser som "hög hastighet" eller "lång distans".

2. Signalintegritet blir ett annat problem

Elektriska länkar måste hantera insättningsförlust, returförlust, reflektioner, överhörning och EMI. Höghastighetskanaler är ofta beroende av exakt impedanskontroll, kontaktdesign, SerDes-utjämning och kanalsimulering.

Fiber tar bort flera av dessa elektriska-kanalproblem. Den leder inte elektrisk ström och är inte mottaglig för EMI på det sätt som koppar är. Det kan vara avgörande i elektriskt bullriga miljöer eller när många-höghastighetskanaler måste passera genom ett begränsat utrymme.

Optik tar inte bort teknisk komplexitet; det förändrar komplexiteten. Optiska designers måste hantera laser- eller källintegrering, kopplingsförlust, kopplingsrenlighet, inriktning, fotodetektion, termiskt beteende och optisk förpackning.

3. Power har en crossover, inte en universell vinnare

En kort elektrisk länk kan vara mycket energieffektiv-eftersom den undviker optisk omvandling. När den elektriska kanalen blir hårdare kan det dock behövas mer utjämning, omtimning eller aktiv kabelelektronik. Optiska länkar introducerar sin egen laser-, modulator- och mottagarkraft.

Det är därför energi per bit är mer användbart än att fråga om "fiber använder mindre ström."OIF:s system-leverantörskrav för energieffektiva-gränssnittge användbara tekniska mål snarare än ett universellt påstående: ett fram-optiskt-sammankopplingsfall kräver mindre än 10 pJ/bit för den optiska motorn plus laser, medan ett back-sammankopplingsfall är långt under 4 pJ/bit. Dessa är designkrav och mål, inte garanterade mätningar för varje optisk produkt.

Samma OIF-dokument separerar också distributionsskalor: front-data-sammankopplingar kan sträcka sig över ungefär 0–500 m och ibland upp till 2 km; back-acceleratoranslutningar kan sträcka sig till cirka 300 m; och lokala beräkningssammankopplingar beskrivs i intervallet 7–10 m. Detta är ett mer praktiskt sätt att tänka på crossover än att söka efter ett magiskt avstånd.

4. Latens beror på hela länken

Optisk ska inte automatiskt behandlas som alternativet med lägre-latens. Spridning är bara en del av slut-till-fördröjning. En optisk länk kan innefatta modulering, elektrisk-till-optisk konvertering, fotodetektion, FEC och mottagarbearbetning. En elektrisk länk kan innefatta serialisering, utjämning, FEC och retimers.

Om latens är en designrestriktion, jämför hela vägen från sändare till mottagare, inklusive varje retimer, DSP och FEC-steg. En kortare fysisk väg med tyngre bearbetning kan förlora till en längre väg med en enklare dataväg.

5. Densitet, kabelbulk och luftflöde blir systembegränsningar

I stor skala är frågan inte bara hur många gigabit en länk bär. Det är hur mycket bandbredd som kan passera genom en frontplatta, kabelränna, rack eller switchpaket utan att blockera luftflödet eller förbruka överdrivet routingutrymme.

Fiber kan bära hög sammanlagd bandbredd i ett relativt litet kabel-tvärsnitt. Parallella-optikarkitekturer använder också multi-fiberanslutning som t.ex.MPO/MTP kontaktinformation förvaltning, som är vanliga i hög-datacenterkablar-.

6. Kostnadsförändringar när du går från komponentpris till livscykelkostnad

Elektriska länkar vinner ofta på initial komponentkostnad vid kort räckvidd. Optiska länkar lägger till sändtagare, optiska gränssnitt och fiber-hanteringskrav. Det betyder inte att optik automatiskt har en lägre totalkostnad i skala.

En användbar TCO-jämförelse bör inkludera:

• kabel, kontakt och transceiver kostnad;
• retimer, AEC eller signal-konditioneringselektronik;
• strömbrytare och NIC-port;
• kylning i samband med länkelektronik;
• portdensitet och frontplatta begränsningar;
• installation och underhållsarbete;
• uppgraderingscykler och om det installerade mediet kan stödja framtida gränssnitt.

Istället för att anta att ett medium har lägre TCO, bygg jämförelsen kring det faktiska portantalet, räckvidden och förväntad uppgraderingshorisont.

När elektrisk sammankoppling vanligtvis är det bättre valet

Elektrisk anslutning gynnas vanligtvis när kanalen är fysiskt kort och det valda elektriska gränssnittet har en bekväm signal-integritetsmarginal.

• Inuti ett paket, bräda eller chassi:elektriska länkar undviker onödig optisk omvandling och använder ett moget designekosystem.
• Korta kabeldragningar med en etablerad kopparstandard:koppar kan vara enkelt, billigt och lätt att serva.
• Strömmen måste gå med anslutningen:ledande infrastruktur krävs fortfarande. Om ett projekt behöver både optisk data och ström i en kabelkonstruktion, afotoelektrisk kompositkabelkan kombinera fiber och elektriska ledare, men de optiska fibrerna själva bär inte elektrisk kraft.
• Den erforderliga bandbredden är bekvämt under den elektriska kanalgränsen:att lägga till optik skapar inget värde om den befintliga elektriska länken redan uppfyller målen för räckvidd, effekt och täthet.

När Optical Interconnect blir det starkare valet

Fallet för optik förstärks när flera begränsningar dyker upp samtidigt snarare än när ett nummer passerar en fast tröskel.

• Räckvidden flyttas från skala med bräda/chassi mot skala för rack, rad eller data-.
• Den sammanlagda bandbredden ökar snabbare än den tillgängliga elektriska kanalmarginalen.
• Retiming, utjämning eller aktiv kopparelektronik förbrukar en oacceptabel andel av energibudgeten.
• EMI, överhörning eller jordningsbegränsningar är svåra att hantera.
• Portdensitet, kabelbulk eller luftflöde har blivit en fysisk designgräns.
• Kabelanläggningen förväntas stödja flera framtida generationer av höghastighetsgränssnitt-.

Dessa tillstånd är vanliga vid hög-densitetsberäkning ochanslutning till-datacenter, där samma system kan använda elektriska länkar inom servrar och optiska länkar mellan rack eller switchande lager.

Övergångspunkten: Använd en räckvidd-bandbredd-effektmatris

Det finns inget universellt avstånd där koppar stannar och optik börjar. Ett bättre tillvägagångssätt är att klassificera anslutningen efter fysisk skala och sedan testa om den elektriska implementeringen fortfarande har marginal.

Specifikt för AI/HPC, OIF:s energi-effektiva-gränssnittskrav placerar front-end, back-end och lokala datorlänkar i olika räckvidds- och effektkategorier. Hengtongs guide tillkoppar kontra fiber i AI-datacenterkan användas som en följ-på läsning när beslutet är kopplat till AI-klusterarkitektur snarare än allmänt nätverk.

Optiska och elektriska sammankopplingar fungerar vanligtvis tillsammans

Många moderna system är hybrid till sin design. Elektrisk signalering förblir effektiv nära processorer, minne, switch ASIC och annan elektronik. Länken övergår till optik där avstånd, bandbreddstäthet eller signal-integritetstryck motiverar konverteringen.

Övergångspunkten rör sig också. OIF:s sam-paketeringsarbete definierar en 3,2 Tb/s co-modul för Ethernet-växlingstillämpningar och riktar in sig på ungefär 140 Gb/s per millimeter kantbandbredd. Den bredare branschens riktning är att minska längden på den elektriska höghastighetsbanan mellan ASIC och den optiska motorn snarare än att helt eliminera elektrisk signalering.

DeImplementeringsavtal för OIF 3.2T-samarbeteär en användbar referens för att förstå varför "optisk kontra elektrisk" i allt högre grad är en arkitektonisk placeringsfråga.

Vanliga missuppfattningar

"Optiskt är alltid snabbare."

Nej. Optisk har stora bandbredds- och räckviddsfördelar, men prestanda från slut-till-slut beror också på sändare, mottagare, DSP, FEC och protokoll. Ett kort elektriskt gränssnitt kan uppfylla samma applikationskrav med färre konverteringssteg.

"Optisk använder alltid mindre ström."

Nej. En kort elektrisk länk kan vara extremt effektiv. Optisk blir mer attraktiv när den kompletta elektriska implementeringen kräver betydande utjämning, omtiming eller aktiv kabelelektronik. Jämför pJ/bit för hela länken.

"Koppar är föråldrat."

Nej. OIF definierar aktivt 224 Gb/s-klass elektriska gränssnitt för nästa-generationssystem. Elektriska länkar är fortfarande viktiga nära datorer och inom utrustning.

"Optisk sammankoppling betyder bara fiber."

Nej. En optisk länk inkluderar elektro-optiska komponenter, förpackningar och elektronik. Fibern kan vara den lägsta-förlustdelen av kanalen, men det är inte hela systemet.

Vanliga frågor

På vilket avstånd ska elektrisk sammankoppling ersättas med optisk?

Det finns inget universellt avstånd. Vid mycket höga körfältshastigheter kan elektriska standarder optimeras för sub-meterkort och bakplanskanaler, medan optiska Ethernet-standarder stöder hundratals meter eller kilometer. Beslutet bör kombinera räckvidd, körfältshastighet, sammanlagd bandbredd, effekt, densitet och kostnad.

Är optisk sammankoppling bättre för AI-datacenter?

Det är ofta viktigt för att skala-ut och länkar med hög-densitet, men elektriska länkar dominerar fortfarande många korta anslutningar nära acceleratorer och växelkisel. OIF:s nuvarande krav behandlar uttryckligen front-end, back-end och lokala datorkopplingar som olika designutrymmen.

Minskar optisk sammankoppling latensen?

Inte automatiskt. Optisk spridning är bara en del av latensen. Konvertering, DSP och FEC kan spela lika stor roll som mediet. Jämför hela datasökvägen.

Leder optisk sammankoppling elektrisk kraft?

Den optiska fibern gör det inte. En separat ledare krävs. Hybrid- eller fotoelektrisk kompositkabel kan placera optiska fibrer och elektriska ledare i samma kabelkonstruktion när både data och ström behövs.

Vilket är det mest användbara måttet för att jämföra kraft?

Använd fullständig-länkenergi per bit, tillsammans med total porteffekt och kyleffekt. Enbart komponentkraft kan dölja kostnaden för retimers, DSP, lasrar eller aktiv kabelelektronik på andra ställen i vägen.

Kommer sam{0}}förpackad optik att ersätta inkopplingsbar optik och elektriska sammankopplingar?

Inte som en universell ersättning. Sam-paketerad optik är en arkitektur för att föra den optiska motorn närmare växlings- eller beräkningssilikonen. Pluggbar optik, aktiva elektriska kablar, passiv koppar och elektriska länkar på-kortnivå kommer att fortsätta att passa olika räckvidd, servicebarhet, kostnad och effektkrav.

Sista takeaway

Elektrisk sammankoppling är starkast där den fysiska kanalen är kort, gränssnittet har tillräcklig signal-integritetsmarginal och enkelhet eller låga initiala kostnader. Optisk sammankoppling blir mer övertygande när räckvidd, sammanlagd bandbredd, EMI-immunitet och bandbreddstäthet pressar den elektriska kanalen mot tyngre utjämning, omtiming eller aktiv-kabelkraft.

Crossover är därför inte ett fast antal meter. Det är den punkt där den kompletta elektriska länken inte längre uppfyller den erforderliga bandbredden, räckvidden, effekten, densiteten, latens och livscykel-kostnadsramen med bekväm marginal.

Definiera dessa begränsningar först. Jämför sedan kompletta elektriska och optiska arkitekturer med samma datahastighet och räckvidd. I många-högpresterande system är den bästa designen inte optisk eller elektrisk isolerad; det är en avsiktlig övergång från elektrisk signalering nära kislet till optisk signalering där avstånd och bandbreddstäthet motiverar det.