200Gvs400G：誰(shuí)是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)下一站？

互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接全球 40 億多用戶，支撐著VR/AR、16K視頻、自動(dòng)駕駛、人工智能、5G、物聯(lián)網(wǎng)等層出不窮的數(shù)字化應(yīng)用。教育、醫(yī)療、辦公等用戶線上與線下的結(jié)合，正在影響和改變?nèi)藗兩畹姆椒矫婷妗?/p>

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，作為互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)賴(lài)以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，早已從最初的千兆、萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)，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(gòu)被大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)看重

 

“25G接入+100G互聯(lián)”的架構(gòu)下，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)通過(guò)三級(jí)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模接入，單集群服務(wù)器規(guī)?？梢猿^(guò)10萬(wàn)臺(tái)。

如下圖所示，基于T1和T2層的Pod可以像樂(lè)高積木一樣靈活擴(kuò)展，按需建設(shè)。

圖1：右側(cè)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(zhuǎn)發(fā)芯片的能力提升以及100G光互聯(lián)成本的降低，市場(chǎng)上出現(xiàn)了單芯片交換機(jī)設(shè)備構(gòu)建100G互聯(lián)的全盒式設(shè)備組網(wǎng)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(gè)POD可提供2000臺(tái)服務(wù)器的接入能力。

圖2：典型128口100GE高密盒式交換機(jī)

全盒式設(shè)備組網(wǎng)方案，相對(duì)傳統(tǒng)框盒設(shè)備方案，雖然網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和設(shè)備間的光互聯(lián)模塊數(shù)量有所增加，帶來(lái)了運(yùn)維工作量的增長(zhǎng)，但因引入了高性能轉(zhuǎn)發(fā)芯片，有效降低了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)端口的單比特成本，對(duì)大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)吸引力很強(qiáng)。大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)一方面快速引入100G全盒架構(gòu)，以降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，另一方面基于自身較強(qiáng)的研發(fā)能力，提升網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化部署和維護(hù)水平來(lái)應(yīng)對(duì)運(yùn)維工作量增長(zhǎng)挑戰(zhàn)。

因此，大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)對(duì)于100G網(wǎng)絡(luò)方案思路趨同，全盒設(shè)備組網(wǎng)成為100GE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)的基座。

網(wǎng)絡(luò)提速成為必然，誰(shuí)會(huì)是下一站?

 

25G接入+100G互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)方案促成芯片選型的統(tǒng)一和快速上量，充分說(shuō)明了技術(shù)紅利驅(qū)動(dòng)了IDC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的快速演進(jìn)。隨著單芯片網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的推出，100G代際的技術(shù)紅利也已經(jīng)得到了完全的獲取。

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

網(wǎng)絡(luò)從來(lái)都不是孤立的存在，產(chǎn)業(yè)的環(huán)境是決定技術(shù)是否能夠成長(zhǎng)、成熟的大土壤。

我們先從網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)器和光模塊三方面審視下200G和400G的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀。

200G vs 400G標(biāo)準(zhǔn)：協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)均已成熟

 

在IEEE 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)過(guò)程中，200G標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)晚于400G標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE 802.3以太網(wǎng)工作組(Working Group)在完成BWA I(Bandwidth Assessment I)項(xiàng)目調(diào)研后，于2013年立項(xiàng)制定400G標(biāo)準(zhǔn)。2015年，為了進(jìn)一步擴(kuò)展市場(chǎng)范圍納入50G服務(wù)器和200G交換機(jī)規(guī)格，IEEE成立802.3cd項(xiàng)目，啟動(dòng)制定200G標(biāo)準(zhǔn)。

因200G與400G規(guī)格具備相關(guān)性， 200G單模規(guī)格最終納入了802.3bs項(xiàng)目。屆時(shí)，400G已經(jīng)基本完成PCS、PMA、PMD的主要設(shè)計(jì)，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(zhǔn)IEEE 802.3bs 400G以太標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包含400G以太和200G以太單模，標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。IEEE 802.3cd 定義了200G以太多模的標(biāo)準(zhǔn)，于2018年12月正式發(fā)布。

圖3：IEEE 802.3bs 400GE 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵里程碑

如下表所見(jiàn)，400G已實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景的標(biāo)準(zhǔn)支持，包括100m、500m、2km和長(zhǎng)距80km。

50G vs 100G服務(wù)器：100G服務(wù)器將會(huì)成為主流

 

圖4：分析師機(jī)構(gòu)對(duì)網(wǎng)卡和服務(wù)器的發(fā)貨趨勢(shì)預(yù)測(cè)

根據(jù)分析師機(jī)構(gòu)CREHAN的預(yù)測(cè)，截止2019年，50G和100G網(wǎng)卡都已經(jīng)啟動(dòng)發(fā)貨。25G網(wǎng)卡的下一代升級(jí)選擇上，整個(gè)產(chǎn)業(yè)在2018和2019年存在著搖擺。2019年50G和100G服務(wù)器發(fā)貨量產(chǎn)生了逆轉(zhuǎn)，但2020年后100G服務(wù)器的勢(shì)頭全面超越了50G服務(wù)器，產(chǎn)業(yè)又開(kāi)始對(duì)100G服務(wù)器充滿信心。

從CPU芯片來(lái)看，兩家主流廠商I廠和A廠都陸續(xù)推出了新的產(chǎn)品路標(biāo)。I廠支持PCIe 4.0的芯片將于2020年Q3推出，主流I/O達(dá)到50G，高端應(yīng)用時(shí)IO達(dá)到100G/200G。兩家巨頭預(yù)計(jì)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(yīng)用時(shí)IO可達(dá)到400G【1】。

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

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

 

數(shù)據(jù)中心接入服務(wù)器從25G向100G演進(jìn)，那么當(dāng)前的100G互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該選擇200G還是400G呢?

從上表可以看出，當(dāng)數(shù)據(jù)中心從10G服務(wù)器演進(jìn)到25G，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)從40G升級(jí)到100G，網(wǎng)絡(luò)帶寬增長(zhǎng)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(shí)代的主流網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方案。

200GE和400GE光模塊與以往有點(diǎn)不同。傳統(tǒng)光模塊采用NRZ(Non-Return-to-Zero)的信號(hào)傳輸技術(shù)，采用高、低兩種信號(hào)電平表示數(shù)字邏輯信號(hào)的0、1，每個(gè)時(shí)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(diào)制技術(shù)——PAM4(Pulse Amplitude Modulation 4四階脈沖幅度調(diào)制)。PAM4信號(hào)采用4個(gè)不同的信號(hào)電平進(jìn)行信號(hào)傳輸，每個(gè)時(shí)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(hào)比特速率是NRZ信號(hào)的2倍，傳輸效率提高一倍，有效降低Gbit成本。從光模塊構(gòu)成看，200G和400G模塊都是采用4-lane的主流架構(gòu)，所以模塊設(shè)計(jì)成本、功耗趨同。

因?yàn)?00G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(gòu)設(shè)計(jì)，也取決于規(guī)模上量的規(guī)模。根據(jù)第三方咨詢(xún)公司Omdia (原OVUM)的發(fā)貨數(shù)據(jù)， 對(duì)TOP8供應(yīng)商當(dāng)前在200G、400G模塊的布局梳理如下。

如上圖所示，200G的模塊種類(lèi)只有100m SR4和2km FR4兩種，其中100m SR4只有兩家供應(yīng)商。反觀400G的模塊種類(lèi)達(dá)到了5種，TOP8廠商皆對(duì)100m、500m和2km模塊進(jìn)行了布局。400G的產(chǎn)業(yè)成熟度遠(yuǎn)勝于200G，客戶的選擇也更為豐富。

這一分析結(jié)果也進(jìn)一步說(shuō)明了由于PAM4技術(shù)的引入，存在成本和功耗的技術(shù)代價(jià)。對(duì)在成本、功耗敏感的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)迫切期望跨過(guò)200G邁入400G來(lái)吸納這個(gè)代價(jià)。采用同樣技術(shù)和成本構(gòu)成的400G在演進(jìn)方面更具競(jìng)爭(zhēng)力。

小結(jié)：400G接檔勢(shì)頭明顯，200G一代或?qū)⑻^(guò)

 

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)是服務(wù)于業(yè)務(wù)的存在。從業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)上看，高速增長(zhǎng)的數(shù)字化建設(shè)將推動(dòng)100G服務(wù)器在2020年快速起量，并成為主流。從成本上看，由于數(shù)據(jù)中心光器件成本占整個(gè)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本的一半以上，由于PAM4技術(shù)的引入，400G光器件單Bit成本比200G光模塊更具優(yōu)勢(shì)，光模塊部署成本將直接帶動(dòng)整個(gè)整體建網(wǎng)成本的下降。

從總體上看，400G接檔勢(shì)頭明顯，200G代際或成為臨時(shí)過(guò)渡或被直接跳過(guò)。

那么，400GE的數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)該如何演進(jìn)呢?

400G組網(wǎng)形態(tài)：高密400G全盒仍在路上

 

交換機(jī)作為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的接入與互聯(lián)設(shè)備，容量隨服務(wù)器的IO增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，核心部件轉(zhuǎn)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(wù)器提供大帶寬的連通性，轉(zhuǎn)發(fā)芯片容量翻番的挑戰(zhàn)比起網(wǎng)卡容量翻番難度大很多。

如上圖所示，半導(dǎo)體工藝的PPA(Performance、Power、Area)收益越來(lái)越不明顯。其中，芯片工作時(shí)鐘頻率影響到芯片線速字節(jié)性能(Performance)，但半導(dǎo)體工藝每代時(shí)鐘性能僅提升20%，因此需要增加更多邏輯(Area)與功耗(power)來(lái)提升Performance。轉(zhuǎn)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(jìn)的半導(dǎo)體工藝獲取合理的功耗指標(biāo)。

以典型的128口100GE高密盒式交換機(jī)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(jī)大功耗1998瓦。預(yù)計(jì)未來(lái)25.6T 128*200G整機(jī)大功耗3000瓦。設(shè)備的整機(jī)功耗與芯片單點(diǎn)散熱能力越來(lái)越高。如此大的功耗，對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工程設(shè)計(jì)能力(如散熱等)提出了極大的挑戰(zhàn)。

如果400G單網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，期望獲得同100G網(wǎng)絡(luò)一樣的128個(gè)端口密度，則要求轉(zhuǎn)發(fā)芯片性達(dá)到51.2T。如果未來(lái)面世的51.2T芯片仍然使用7nm工藝技術(shù)，則預(yù)估芯片功耗或可高達(dá)1000W，這個(gè)數(shù)字對(duì)于盒式設(shè)備，按照當(dāng)前散熱工藝基本不可實(shí)現(xiàn)。

因此，使用51.2T轉(zhuǎn)發(fā)芯片構(gòu)建高密128端口400G盒式交換設(shè)備，嚴(yán)重依賴(lài)于5nm或3nm芯片技術(shù)的升級(jí)，將轉(zhuǎn)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(chǎn)交付時(shí)間預(yù)計(jì)到2023年了。

400G已經(jīng)到來(lái)，400G框盒是當(dāng)前好選擇

 

可支撐高密400G的交換芯片(51.2T)產(chǎn)品商用交付節(jié)奏偏晚，在目前可獲得的條件下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備面臨三個(gè)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(guò)多芯片疊加實(shí)現(xiàn)更高密的400G端口，提供400G框式設(shè)備，滿足128 x 400G甚至更高端口密度。 高密200G盒式：錯(cuò)失400G先機(jī)

 

服務(wù)器100G必將快速成為主流，400G光連接成本最優(yōu)，整個(gè)產(chǎn)業(yè)的版圖中目前唯一缺失的是尚不成熟51.2G(128*400G)的轉(zhuǎn)發(fā)芯片。這個(gè)的短暫缺失的確讓那些已經(jīng)部署100G全盒架構(gòu)的企業(yè)猶豫不決，開(kāi)始轉(zhuǎn)向考慮200G。。但是選擇了200G，意味放棄了向400G直接演進(jìn)的最短路線，導(dǎo)致在200G上重復(fù)投資;同時(shí)由于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本中光互聯(lián)成本占據(jù)了一半以上，那么200G的選擇將錯(cuò)過(guò)第一時(shí)間擁抱400G技術(shù)紅利的契機(jī)。

低密400G盒式：服務(wù)器集群規(guī)?？s小3/4

 

使用64x400G的盒式設(shè)備形態(tài)進(jìn)行組網(wǎng)，那么由于T2層設(shè)備的端口密度較100G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的128口密度減少一半，則POD內(nèi)接入服務(wù)器的數(shù)量也會(huì)減少一半。同時(shí)， T3也使用64x400G的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，則服務(wù)器數(shù)量會(huì)再次減半，導(dǎo)致整個(gè)服務(wù)器集群規(guī)?？s減至原有的1/4。縱觀數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，存在一個(gè)樸素的基本原則：在保證既有服務(wù)器集群規(guī)模的前提下，進(jìn)行速率升級(jí)。低密400G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備形態(tài)，將造成服務(wù)器集群規(guī)模的大幅縮水，較難被業(yè)務(wù)應(yīng)用所接受。

高密400G框式：歷史證明過(guò)的最優(yōu)選擇

 

我們不妨回顧下100G網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)歷史。早期，云計(jì)算業(yè)務(wù)和計(jì)算資源虛擬化技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了100G產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的成熟。25G接入服務(wù)器逐步得到了規(guī)模應(yīng)用，100G光互聯(lián)在市場(chǎng)快速起量，成本進(jìn)一步下降。

當(dāng)產(chǎn)業(yè)成熟宣告100G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代到來(lái)之時(shí)，高性能100G轉(zhuǎn)發(fā)芯片存卻在滯后，在100G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期不可獲取(下圖的階段1)。行業(yè)最初采用了多芯片構(gòu)建高密100G框式交換機(jī)的方案，一方面確保網(wǎng)絡(luò)規(guī)模可達(dá)到預(yù)期，另一方面快速釋放了100G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)紅利。

隨著芯片性能的升級(jí)、6.4T和12.8T芯片的推出，網(wǎng)絡(luò)從100G框式平滑過(guò)渡到了100G盒式階段(下圖的階段2、3)。

400G網(wǎng)絡(luò)也將上演類(lèi)似的演進(jìn)規(guī)律，在51.2T芯片能力尚不可獲得的情況下，多芯片構(gòu)建的400G框式交換機(jī)設(shè)備是當(dāng)前更為明智的選擇。

通過(guò)部署高密400G框式設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不變甚至進(jìn)一步擴(kuò)展，獲得更低的單bit成本。目前業(yè)界主流廠商都已經(jīng)發(fā)布了400G框式設(shè)備，將推動(dòng)400G網(wǎng)絡(luò)的商用進(jìn)程。后續(xù)隨著51.2T交換芯片的上市，400G框盒架構(gòu)可向全盒平滑演進(jìn)，最終成為400G時(shí)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的主流架構(gòu)。

本文題目：200Gvs400G：誰(shuí)是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)下一站？
網(wǎng)站URL：http://www.muchs.cn/news18/203618.html

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