200G QSFP56 vs QSFP-DD: Ein detaillierter Vergleich von Formfaktor und Modulationstechnologie

In den letzten Jahren verlief die Expansion der optischen Kommunikation und des Internets nahezu rasant. Die Nutzer verlangen immer größere Bandbreiten, der Netzwerkverkehr steigt sprunghaft an, und die Kapazität der Telekom-Backbone-Netze wächst jährlich um 50% bis 80%. Um Schritt zu halten, wurde die Übertragungsgeschwindigkeit optischer Kommunikationssysteme kontinuierlich erhöht, von den frühen Generationen 10G, 25G und 40G bis zu den heutigen Niveaus 100G, 200G und 400G.

Während optische 100G-Transceiver weiterhin die Mainstream-Lösung bleiben, ist der Markt damit nicht mehr zufrieden. Die Notwendigkeit, mehr Ports in kleinere Geräte zu integrieren und gleichzeitig den Stromverbrauch zu senken, hat zur Entwicklung schnellerer Übertragungstechnologien geführt. Deshalb sind optische 200G- und 400G-Transceiver so wichtig. Sie bieten gegenüber früheren Generationen erhebliche Vorteile bei Bandbreitendichte und Energieeffizienz und werden zu einer wichtigen Upgrade-Richtung für Rechenzentren und Backbone-Netzwerke.

Der heutige Artikel behandelt optische 200G-Transceiver—ein aufkommendes heißes Thema. Es ist nicht so einfach wie eine bloße Verdoppelung der Geschwindigkeit, sondern eine umfassende Weiterentwicklung auf Leistungs-, Architektur- und Anwendungsebene.

Einführung in optische 200G-Transceiver: QSFP56 vs. QSFP-DD

Wie der Name schon sagt, ist ein optisches 200G-Modul ein optisches Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsmodul, das Übertragungsraten von 200Gbps unterstützt. Derzeit sind die beiden gängigen Formfaktoren 200G QSFP56 und 200G QSFP-DD.

QSFP56, kurz für Quad 50G Small Form Factor Pluggable, ist eine Weiterentwicklung von 40G QSFP+ und 100G QSFP28. Es wurde für 200G-Ethernet-Umgebungen entwickelt und verfügt über vier Kanäle, die jeweils mit Geschwindigkeiten zwischen 50G und 56Gb/s arbeiten. QSFP56 ist besser als die vorherige Version, weil es PAM4-Modulation statt NRZ-Codierung verwendet. Das bedeutet, dass es mit derselben Bandbreite mehr Daten senden kann. Zu den gängigen Kabeltypen gehören QSFP56 SR4 (Short-Reach-Multimode) und QSFP56 FR4 (Long-Reach-Single-Mode). Diese Modulserie wird häufig bei Upgrades von Rechenzentren eingesetzt und verbessert die Bandbreitennutzung erheblich, während die Schnittstellenkompatibilität erhalten bleibt.

Ein weiterer Typ ist QSFP-DD, kurz für Quad Small Form-factor Pluggable Double Density. Er entspricht IEEE 802.3bs und den QSFP-DD-MSA-Standards. "Double Density" bedeutet, dass er im Vergleich zum Standard-QSFP28 die doppelte Anzahl an Schnittstellen hat und höhere Signalraten unterstützt. Dieses Modul kann eine 200G-Übertragung mit 25G x 8 Kanälen unter Verwendung von NRZ-Modulation und 50G x 8 Kanälen unter Verwendung von PAM4-Modulation erreichen, bei einer Gesamtrate von bis zu 400G. Aufgrund dieser Merkmale wird QSFP-DD häufig in Hochleistungsrechnern, Cloud-Netzwerken und groß angelegten Backbone-Übertragungssystemen eingesetzt.

Insgesamt ist QSFP-DD mit 400G-Netzwerken kompatibel, während QSFP56 besser für aktuelle 200G-Ethernet-Anwendungen geeignet ist. Mit seinem geringen Stromverbrauch, dem einfachen thermischen Design und ausgereiften Schnittstellen ist es derzeit der am häufigsten verwendete Formfaktor für optische 200G-Module.

Vergleich von Verpackung und Portdichte

200G QSFP56（4×50G）

Die QSFP56-Modul behält denselben Formfaktor wie frühere QSFP-Module bei und misst ungefähr 70mm × 18mm × 13mm. Es verwendet vier Kanäle, jeweils mit einer Datenrate von 50Gbps, für eine Gesamtbandbreite von bis zu 200Gbps. Dieses Design bietet eine gute Mischung aus Leistung und Größe und packt viele Daten auf kleinem Raum. Beispielsweise kann ein standardmäßiges 1RU-Rack bis zu 36 QSFP56-Ports aufnehmen, wodurch es sich für Netzwerkumgebungen mit hohen Anforderungen an Bandbreite und Portanzahl eignet.

200G QSFP-DD（8×25G）

Der QSFP-DD ist etwas größer und misst 87mm × 18mm × 13mm. Er verfügt über acht Hochgeschwindigkeitskanäle, von denen jeder bis zu 50 Milliarden Bit pro Sekunde (50 Gbps) verarbeiten kann, insgesamt also 400 Milliarden Bit pro Sekunde (400 Gbps). Während in 200G-Anwendungen normalerweise nur wenige dieser Kanäle genutzt werden, erleichtert seine Größe den Wechsel zu 400G-Netzwerken. Aufgrund seines dichteren Designs kann ein 1RU-Rack bis zu 64 QSFP-DD-Ports aufnehmen, nahezu doppelt so viel Portdichte wie QSFP56.

Insgesamt sind beide Module für Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationsszenarien konzipiert und bieten hervorragende steckbare Funktionen. Das QSFP56 ist leichter, verbraucht weniger Strom und hat besser handhabbare Bereitstellungskosten. Das QSFP-DD ist eine bessere Option für Rechenzentren, die ihre Bandbreite erweitern müssen. Obwohl sie sich in Design und Leistungsfähigkeit unterscheiden, haben beide dazu beigetragen, dass 200G-Optikmodule weit verbreitet eingesetzt werden.

Vergleich der Modulationstechnologie

200G QSFP56 (PAM4-Modulation)

Das QSFP56-Modul verfügt über vier Kanäle zum Senden und Empfangen von Daten, von denen jeder Geschwindigkeiten von bis zu 56 Gbps erreichen kann. Seine PAM4-Technologie ermöglicht es, dass jeder Signalzyklus mehr Informationen transportiert, wodurch die Datenübertragungsgeschwindigkeiten deutlich erhöht werden. PAM4 ist heute die gängigste Lösung für optische 200G-Module. Das bedeutet, dass es bei geringerer Bandbreitennutzung gleichzeitig mehr Daten senden kann. Es verwendet außerdem dieselbe Signalfrequenz wie zuvor.

200G QSFP-DD (NRZ/PAM4-Modulation)

Das QSFP-DD-Modul verwendet eine Acht-Lane-Struktur, wobei jede Lane bis zu 25 Gbps unter NRZ- oder 50 Gbps unter PAM4-Modulation überträgt. Im NRZ-Modus liefert es eine Gesamtbandbreite von 200 Gbps, während PAM4 sie auf 400 Gbps erhöht. Diese Dual-Mode-Fähigkeit ermöglicht es QSFP-DD, sich flexibel in verschiedene Netzwerkkonfigurationen und sich entwickelnde Geschwindigkeitsanforderungen einzufügen.

Im Vergleich zur herkömmlichen NRZ-Modulation (Non-Return-to-Zero) können PAM4-Signale innerhalb derselben Bandbreite doppelt so viele Daten übertragen. Durch die Erweiterung des ursprünglichen zweistufigen Signals auf vier Stufen halbiert PAM4 die Symbolrate und reduziert dadurch effektiv Übertragungsverluste. Diese Eigenschaft macht PAM4 zu einem bedeutenden Durchbruch in der optischen Hochgeschwindigkeitskommunikation und legt die technische Grundlage für optische Module mit 200G und höheren Geschwindigkeiten.

Vergleich von Architekturlösungen

200G QSFP56 — DSP-Lösung

QSFP56 verwendet typischerweise eine Modulationsart namens PAM4, die Geschwindigkeiten von bis zu 200Gb/s in einer 4x50G-Kanalkonfiguration erreichen kann. PAM4 kann mehr Daten pro Bandbreiteneinheit übertragen, ist jedoch empfindlicher gegenüber Rauschen und Verzerrungen. Daher benötigt es einen digitalen Signalprozessor (DSP), um sicherzustellen, dass das Signal ordnungsgemäß wiederhergestellt wird. DSPs bieten eine höhere Fehlertoleranz der Verbindung und Leistungsoptimierung, verursachen jedoch zusätzlichen Stromverbrauch und zusätzliche Kosten, sodass beim Design ein Kompromiss zwischen Leistung und Energieeffizienz erforderlich ist.

200G QSFP-DD — Vollständig analoge Architektur

Eine gängige vollständig analoge Implementierung von QSFP-DD verwendet NRZ-Modulation und arbeitet mit 8x25G. Diese Lösung sorgt dafür, dass die Signale gut funktionieren, ohne komplizierte digitale Signalprozessoren (DSPs) zu benötigen. Das bedeutet, dass das System fast so schnell ist wie DSP-basierte Lösungen. Vollständig analoge Designs sind besser als digitale Designs, weil sie weniger Strom verbrauchen und günstiger herzustellen sind. Das liegt daran, dass sie einfacher sind und weniger Teile haben. Dadurch eignen sie sich gut für Situationen, in denen es zu Verzögerungen kommt oder in denen Energieeffizienz wichtig ist.

Vergleich der Abwärtskompatibilität

Das Dual-Density-Design von QSFP-DD unterstützt 4- und 8-Lane-Konfigurationen und ist abwärtskompatibel mit QSFP+, QSFP28 und QSFP56, wodurch eine reibungslose Migration zwischen Geräten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten erleichtert wird. QSFP56 ist außerdem mit QSFP+ und QSFP28 kompatibel und bietet einen flexibleren Upgrade-Pfad von 40G/100G auf 200G, sodass bei der Bereitstellung die richtige Lösung auf Basis von Kosten, Stromverbrauch und zukünftigen Erweiterungsanforderungen gewählt werden kann.

200G QSFP56 Produkteinführung

200G QSFP56 SR4

Die 200G QSFP56 SR4 Das Modul ist ein optisches Vollduplex-Modul auf Basis von Multimode-Faser. Es verfügt über vier unabhängige Sende- und Empfangskanäle, die jeweils bis zu 53.125 Gb/s unterstützen, sowie eine Gesamtbandbreite von 200 Gb/s. Das Modul nutzt ein paralleles optisches Design mit 850nm Wellenlänge und ist mit 70 Metern OM3-Multimode-Faser (oder 100 Metern OM4-Faser) kompatibel, wodurch es ideal für kurze, schnelle Verbindungen ist.

Die Schnittstelle verwendet einen MTP/MPO-12 APC-Steckverbinder, der mit standardmäßigen Multimode-Glasfaser-Patchkabeln kompatibel ist. Das Modul verfügt über einen 38-poligen elektrischen Steckverbinder für Hochgeschwindigkeits-Signaleingang und -ausgang. Das SR4-Modul bietet ein kompaktes Design, niedrige Latenz und geringen Stromverbrauch und ist damit eine beliebte Wahl für Verbindungen zwischen Schränken oder Anwendungen der Aggregationsschicht in Rechenzentren.

200G QSFP56 FR4

Das 200G QSFP56 FR4-Modul ist für optische Kommunikation über mittlere und lange Distanzen konzipiert und nutzt Quad-Wellenlängen-Multiplexing-Technologie (CWDM). Mithilfe von vier EML-Lasern wandelt das Modul elektrische 4x50G PAM4-Signale in vier optische Signale mit Mittenwellenlängen von 1271nm, 1291nm, 1311nm und 1331nm um, entsprechend dem durch den ITU-T G.694.2-Standard definierten CWDM-Wellenlängenbereich.

Es verwendet einen Duplex-LC-Steckverbinder für den optischen Teil und verfügt außerdem über eine 38-polige elektrische Schnittstelle, die es ermöglicht, Signale über Entfernungen von bis zu 2 Kilometern zu übertragen. Das FR4-Modul eignet sich besser als das SR4-Modul für die Verbindung von Geräteräumen oder Campus-Netzwerken. Es kann Informationen über längere Entfernungen übertragen und dabei weniger Strom verbrauchen. Es ist eine der Optionen, die für ein breiteres Anwendungsspektrum in der 200G QSFP56-Serie verwendet werden können.

Fazit

Während QSFP-DD derzeit 400G Ethernet dominiert, bedeutet dies nicht, dass QSFP56 veraltet ist. Für Rechenzentren, deren Bandbreitenanforderungen noch nicht 400G erreicht haben, bleibt das optische 200G QSFP56-Modul eine zuverlässige und effiziente Lösung. Es bietet ein hervorragendes Gleichgewicht zwischen Leistung, Stromverbrauch und Kompatibilität und ist damit eine praktikable Option für Bandbreiten-Upgrades in mittelgroßen bis großen Netzwerken.

Für diejenigen, die einen schrittweisen Übergang zu 400G planen, bietet das optische 200G QSFP-DD-Modul eine kostengünstigere Lösung. Dieser Formfaktor ist mit zukünftigen Netzwerkarchitekturen mit höherer Geschwindigkeit kompatibel, bewahrt den Investitionswert bestehender Systeme und erleichtert gleichzeitig eine reibungslose zukünftige Erweiterung auf 400G. Mit anderen Worten: QSFP56 eignet sich für aktuelle stabile Betriebsumgebungen, während QSFP-DD eher eine Übergangsoption für die nächste Phase ist.