200Gvs400G：誰是數據中心網絡下一站？

互聯(lián)網聯(lián)接全球 40 億多用戶，支撐著VR/AR、16K視頻、自動駕駛、人工智能、5G、物聯(lián)網等層出不窮的數字化應用。教育、醫(yī)療、辦公等用戶線上與線下的結合，正在影響和改變人們生活的方方面面。

數據中心網絡，作為互聯(lián)網業(yè)務賴以生存和發(fā)展的基礎設施，早已從最初的千兆、萬兆網絡，走到了“25G接入+100G互聯(lián)”規(guī)模部署的階段。

100G互聯(lián)：全盒架構被大型互聯(lián)網企業(yè)看重

 

“25G接入+100G互聯(lián)”的架構下，數據中心網絡通過三級組網實現(xiàn)大規(guī)模接入，單集群服務器規(guī)?？梢猿^10萬臺。

如下圖所示，基于T1和T2層的Pod可以像樂高積木一樣靈活擴展，按需建設。

圖1：右側引用自 https://techblog.comsoc.org/2019/03/18/facebooks-f16-achieves-400g-effective-intra-dc-speeds-using-100ge-fabric-switches-and-100g-optics-other-hyperscalers/

隨著大容量轉發(fā)芯片的能力提升以及100G光互聯(lián)成本的降低，市場上出現(xiàn)了單芯片交換機設備構建100G互聯(lián)的全盒式設備組網方案。這種單芯片多平面的互聯(lián)方案，以12.8T芯片為典型代表，單芯片可提供128x100G的端口密度，單個POD可提供2000臺服務器的接入能力。

圖2：典型128口100GE高密盒式交換機

全盒式設備組網方案，相對傳統(tǒng)框盒設備方案，雖然網絡節(jié)點數量和設備間的光互聯(lián)模塊數量有所增加，帶來了運維工作量的增長，但因引入了高性能轉發(fā)芯片，有效降低了數據中心網絡端口的單比特成本，對大型互聯(lián)網企業(yè)吸引力很強。大型互聯(lián)網企業(yè)一方面快速引入100G全盒架構，以降低網絡建設成本，另一方面基于自身較強的研發(fā)能力，提升網絡自動化部署和維護水平來應對運維工作量增長挑戰(zhàn)。

因此，大型互聯(lián)網企業(yè)對于100G網絡方案思路趨同，全盒設備組網成為100GE網絡架構演進的基座。

網絡提速成為必然，誰會是下一站?

 

25G接入+100G互聯(lián)網絡方案促成芯片選型的統(tǒng)一和快速上量，充分說明了技術紅利驅動了IDC網絡架構的快速演進。隨著單芯片網絡產品的推出，100G代際的技術紅利也已經得到了完全的獲取。

在當前業(yè)務持續(xù)快速發(fā)展的背景下，帶寬升級成為必然。一個選擇題擺到了企業(yè)面前：選200G還是400G?

網絡從來都不是孤立的存在，產業(yè)的環(huán)境是決定技術是否能夠成長、成熟的大土壤。

我們先從網絡標準、服務器和光模塊三方面審視下200G和400G的產業(yè)現(xiàn)狀。

200G vs 400G標準：協(xié)議標準均已成熟

 

在IEEE 協(xié)議標準演進過程中，200G標準啟動晚于400G標準。

IEEE 802.3以太網工作組(Working Group)在完成BWA I(Bandwidth Assessment I)項目調研后，于2013年立項制定400G標準。2015年，為了進一步擴展市場范圍納入50G服務器和200G交換機規(guī)格，IEEE成立802.3cd項目，啟動制定200G標準。

因200G與400G規(guī)格具備相關性， 200G單模規(guī)格最終納入了802.3bs項目。屆時，400G已經基本完成PCS、PMA、PMD的主要設計，200G單模規(guī)格總體上是基于400G單模規(guī)格減半制定。

2017年12月6日，IEEE 802最終批準IEEE 802.3bs 400G以太標準規(guī)范，包含400G以太和200G以太單模，標準正式發(fā)布。IEEE 802.3cd 定義了200G以太多模的標準，于2018年12月正式發(fā)布。

圖3：IEEE 802.3bs 400GE 標準關鍵里程碑

如下表所見，400G已實現(xiàn)全場景的標準支持，包括100m、500m、2km和長距80km。

50G vs 100G服務器：100G服務器將會成為主流

 

圖4：分析師機構對網卡和服務器的發(fā)貨趨勢預測

根據分析師機構CREHAN的預測，截止2019年，50G和100G網卡都已經啟動發(fā)貨。25G網卡的下一代升級選擇上，整個產業(yè)在2018和2019年存在著搖擺。2019年50G和100G服務器發(fā)貨量產生了逆轉，但2020年后100G服務器的勢頭全面超越了50G服務器，產業(yè)又開始對100G服務器充滿信心。

從CPU芯片來看，兩家主流廠商I廠和A廠都陸續(xù)推出了新的產品路標。I廠支持PCIe 4.0的芯片將于2020年Q3推出，主流I/O達到50G，高端應用時IO達到100G/200G。兩家巨頭預計將在2021年H1分別推出支持PCIe5.0的芯片，再次將主流I/O提高到100G，高端應用時IO可達到400G【1】。

因此，CPU芯片節(jié)奏和服務器發(fā)貨預測均顯示出50G曇花一現(xiàn)，100G服務器正快速成為主流。

200G vs 400G光模塊：400G成本更優(yōu)，產業(yè)更成熟

 

數據中心接入服務器從25G向100G演進，那么當前的100G互聯(lián)網絡應該選擇200G還是400G呢?

從上表可以看出，當數據中心從10G服務器演進到25G，網絡互聯(lián)從40G升級到100G，網絡帶寬增長一倍，但互聯(lián)成本、功耗卻保持不變，即Gbit互聯(lián)成本與功耗下降一半。所以100GE取代40GE成為25GE時代的主流網絡互聯(lián)方案。

200GE和400GE光模塊與以往有點不同。傳統(tǒng)光模塊采用NRZ(Non-Return-to-Zero)的信號傳輸技術，采用高、低兩種信號電平表示數字邏輯信號的0、1，每個時鐘周期可以傳輸1bit的邏輯信息。而200G和400G光模塊皆采用了高階調制技術——PAM4(Pulse Amplitude Modulation 4四階脈沖幅度調制)。PAM4信號采用4個不同的信號電平進行信號傳輸，每個時鐘周期可以傳輸2bit的邏輯信息，即00、01、10、11。

因此，在同樣波特率條件下，PAM4信號比特速率是NRZ信號的2倍，傳輸效率提高一倍，有效降低Gbit成本。從光模塊構成看，200G和400G模塊都是采用4-lane的主流架構，所以模塊設計成本、功耗趨同。

因為400G模塊的帶寬是200G的兩倍，所以Gbit成本和功耗是200G的一半。

另一方面，模塊成本除了架構設計，也取決于規(guī)模上量的規(guī)模。根據第三方咨詢公司Omdia (原OVUM)的發(fā)貨數據， 對TOP8供應商當前在200G、400G模塊的布局梳理如下。

如上圖所示，200G的模塊種類只有100m SR4和2km FR4兩種，其中100m SR4只有兩家供應商。反觀400G的模塊種類達到了5種，TOP8廠商皆對100m、500m和2km模塊進行了布局。400G的產業(yè)成熟度遠勝于200G，客戶的選擇也更為豐富。

這一分析結果也進一步說明了由于PAM4技術的引入，存在成本和功耗的技術代價。對在成本、功耗敏感的數據中心網絡領域，產業(yè)迫切期望跨過200G邁入400G來吸納這個代價。采用同樣技術和成本構成的400G在演進方面更具競爭力。

小結：400G接檔勢頭明顯，200G一代或將跳過

 

數據中心網絡是服務于業(yè)務的存在。從業(yè)務驅動上看，高速增長的數字化建設將推動100G服務器在2020年快速起量，并成為主流。從成本上看，由于數據中心光器件成本占整個數據中心網絡設備成本的一半以上，由于PAM4技術的引入，400G光器件單Bit成本比200G光模塊更具優(yōu)勢，光模塊部署成本將直接帶動整個整體建網成本的下降。

從總體上看，400G接檔勢頭明顯，200G代際或成為臨時過渡或被直接跳過。

那么，400GE的數據中心組網架構應該如何演進呢?

400G組網形態(tài)：高密400G全盒仍在路上

 

交換機作為數據中心服務器的接入與互聯(lián)設備，容量隨服務器的IO增長而增長，核心部件轉發(fā)芯片的交換容量仍然延續(xù)著每一代翻一番的節(jié)奏。為聯(lián)接的眾多服務器提供大帶寬的連通性，轉發(fā)芯片容量翻番的挑戰(zhàn)比起網卡容量翻番難度大很多。

如上圖所示，半導體工藝的PPA(Performance、Power、Area)收益越來越不明顯。其中，芯片工作時鐘頻率影響到芯片線速字節(jié)性能(Performance)，但半導體工藝每代時鐘性能僅提升20%，因此需要增加更多邏輯(Area)與功耗(power)來提升Performance。轉發(fā)芯片的面積不斷增大，功耗也隨之上升最終將遭遇功耗瓶頸，需要更先進的半導體工藝獲取合理的功耗指標。

以典型的128口100GE高密盒式交換機為例，采用12.8T芯片16nm工藝，芯片功耗約350W，含100G光模塊的整機大功耗1998瓦。預計未來25.6T 128*200G整機大功耗3000瓦。設備的整機功耗與芯片單點散熱能力越來越高。如此大的功耗，對網絡設備的工程設計能力(如散熱等)提出了極大的挑戰(zhàn)。

如果400G單網絡節(jié)點，期望獲得同100G網絡一樣的128個端口密度，則要求轉發(fā)芯片性達到51.2T。如果未來面世的51.2T芯片仍然使用7nm工藝技術，則預估芯片功耗或可高達1000W，這個數字對于盒式設備，按照當前散熱工藝基本不可實現(xiàn)。

因此，使用51.2T轉發(fā)芯片構建高密128端口400G盒式交換設備，嚴重依賴于5nm或3nm芯片技術的升級，將轉發(fā)芯片功耗降低到900W以下。但如果使用5nm或3nm芯片工藝，芯片能夠量產交付時間預計到2023年了。

400G已經到來，400G框盒是當前好選擇

 

可支撐高密400G的交換芯片(51.2T)產品商用交付節(jié)奏偏晚，在目前可獲得的條件下，網絡設備面臨三個選擇：

方案一，高密200G盒式：使用25.6T芯片提供128 x 200G端口。 方案二，低密400G盒式：使用25.6T芯片提供64 x 400G端口。 方案三，高密400G框式：通過多芯片疊加實現(xiàn)更高密的400G端口，提供400G框式設備，滿足128 x 400G甚至更高端口密度。 高密200G盒式：錯失400G先機

 

服務器100G必將快速成為主流，400G光連接成本最優(yōu)，整個產業(yè)的版圖中目前唯一缺失的是尚不成熟51.2G(128*400G)的轉發(fā)芯片。這個的短暫缺失的確讓那些已經部署100G全盒架構的企業(yè)猶豫不決，開始轉向考慮200G。。但是選擇了200G，意味放棄了向400G直接演進的最短路線，導致在200G上重復投資;同時由于數據中心網絡的建設成本中光互聯(lián)成本占據了一半以上，那么200G的選擇將錯過第一時間擁抱400G技術紅利的契機。

低密400G盒式：服務器集群規(guī)?？s小3/4

 

使用64x400G的盒式設備形態(tài)進行組網，那么由于T2層設備的端口密度較100G網絡架構中的128口密度減少一半，則POD內接入服務器的數量也會減少一半。同時， T3也使用64x400G的網絡設備，則服務器數量會再次減半，導致整個服務器集群規(guī)模縮減至原有的1/4?？v觀數據中心網絡發(fā)展，存在一個樸素的基本原則：在保證既有服務器集群規(guī)模的前提下，進行速率升級。低密400G網絡設備形態(tài)，將造成服務器集群規(guī)模的大幅縮水，較難被業(yè)務應用所接受。

高密400G框式：歷史證明過的最優(yōu)選擇

 

我們不妨回顧下100G網絡的演進歷史。早期，云計算業(yè)務和計算資源虛擬化技術的發(fā)展推動了100G產業(yè)標準的成熟。25G接入服務器逐步得到了規(guī)模應用，100G光互聯(lián)在市場快速起量，成本進一步下降。

當產業(yè)成熟宣告100G網絡時代到來之時，高性能100G轉發(fā)芯片存卻在滯后，在100G網絡建設初期不可獲取(下圖的階段1)。行業(yè)最初采用了多芯片構建高密100G框式交換機的方案，一方面確保網絡規(guī)模可達到預期，另一方面快速釋放了100G網絡的技術紅利。

隨著芯片性能的升級、6.4T和12.8T芯片的推出，網絡從100G框式平滑過渡到了100G盒式階段(下圖的階段2、3)。

400G網絡也將上演類似的演進規(guī)律，在51.2T芯片能力尚不可獲得的情況下，多芯片構建的400G框式交換機設備是當前更為明智的選擇。

通過部署高密400G框式設備，可實現(xiàn)網絡規(guī)模不變甚至進一步擴展，獲得更低的單bit成本。目前業(yè)界主流廠商都已經發(fā)布了400G框式設備，將推動400G網絡的商用進程。后續(xù)隨著51.2T交換芯片的上市，400G框盒架構可向全盒平滑演進，最終成為400G時代數據中心網絡的主流架構。

本文題目：200Gvs400G：誰是數據中心網絡下一站？
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