מכלולי כבלים אופטיים אקטיביים – האריה שבכלוב

Herbert Endres, Molex

במשך עשר שנים בערך, קיימת מגמה של פיתוח ממשקי כניסות ויציאות (I/O) ספרתיים אוניברסאליים, עבור מרכזי נתונים ויישומי תקשורת, שמונעים בעיקר מתוך הרצון להשגת חיבורי port רב תכליתיים, אשר מקבלים מודולים מתחברים עבור סוגים שונים של מדיה. בתלות בקצב הנתונים וביישום. יתרונה של גישה זו הוא מכלול של כניסות ויציאות אחידות, רב תכליתיות, שמוגדרות בקונפיגורציה עם מודולים, בהתאם לתנאים המקומיים בלבד, שקיימים בזמן תהליך אישור ההפעלה (commissioning). על מנת למלא את דרישות התאימות האלקטרו-מגנטית (EMC), פיתחו המתכננים “כלובים” (cage) שמותקנים בדרך כלל על המעגל המודפס של המודול, והם בעלי אטימות להשגת עמידות EMC בחלק הקדמי שלהם, אשר מתחבר למילואה הקדמית (front panel), ובחלק האחורי יש להם מחבר המשמש למחשב המארח.
ה”סבא” של כל הכלובים המתחברים, המכונה ממיר הממשק של GigaBit (בדרך כלל מצוין בצורה המקוצרת GBIC), ייחשב היום לזיכרון מרוחק בלבד. היה זה הכלוב הראשון עם רוחב פס המתאים ל-gigabit עם מחבר D מסוג subminature של 9 פינים, ששימש כמחבר למחשב המארח. דרישות רוחב הפס של התעשייה התקדמו מאז בקצב מהיר. כיום, 1 ג’יגה סיביות בשנייה נחשב כמעט כמו מתח ישר, והאיגוד המסחרי InfiniBand אימץ את התקן Fourteen Gigabit Data Rate (- קצב נתונים של 14 ג’יגה סיביות), אשר תומך בקצב נתונים של 14 סיביות בשנייה. תקן קצב הנתונים המורחב (EDR – Extended Data Rate) עם מהירות של 25 ג’יגה סיביות בשנייה, יצא לשוק בשנים הקרובות. תקני הכלובים הקיימים היום, עוברים שכלול על מנת לאפשר את ניהול קצבי הנתונים החדשים האלו, במילואה הקדמית. (ראו איור 1).
בצד הגרסה בעלת הממדים הקטנים הניתנת לחיבור (SFP Small Form factor Pluggable), אשר כיום היא מואצת מ-5 ג’יגה סיביות בשנייה ל-10 ג’יגה סיביות בשנייה, קיימת גרסת SFM מרובעת (QSFP QUAD SFM), אשר מאפשרת שידור אותות ברוחב פס של 40 ג’יגה סיביות בשנייה, דרך ארבעה נתיבים (lane), כאשר כל נתיב מורכב מזוג חיבורים, RX – קליטה ו-TX – שידור. ועם זאת, אפשר להגיע לרוחב הפס הגדול ביותר עם ממדים של CXP כאשר, בתקן InfiniBand, שניים-עשר נתיבים הפועלים כל אחד בקצב של 10 ג’יגה סיביות בשנייה מאפשרים לקבל 120 ג’יגה סיביות בשנייה. ממדים פיסיים אלו (עם קידוד מכני שונה) תומכים גם בתקן Gigabit Ethernet, כאשר לצורך כך משמשים 10 נתיבים בלבד מבין השניים עשר. התקן המתקדם ביותר מגיע מקבוצת העבודה לענייני אחסון (Storage Working Group), והוא נקרא iPass HD (לצפיפות גבוהה). בגרסה SAS 3.0, הוא מתוכנן לתמוך בארבעה נתיבים הפועלים ב-12 ג’יגה סיביות בשנייה, כאשר כל אחד מהם משמש לאחסון מדיה כדוגמת כוננים קשיחים וכונני מצב מוצק עם פתח במילואה הקדמית, וגודלו 12.07 מ”מ x 11.68 מ”מ.

עוזבים את הכלוב
כלובים של כניסות ויציאות פותחו במקור עבור מודולים ששימשו עם אמצעים שונים לשידור אותות, לרבות כבלי נחושת וגם רשתות Gigabit Ethernet בחיבור בתקן RJ45, כבלים קואקסיליים וכבלי סיב אופטיים, בין אם היו אלו חד-מופעיים (single-mode) או רב-מופעיים
(multi-mode), עם ערכי קוטר שונים של מוליך הליבה.
בזכות קצבי הנתונים המוגדלים שלהם, רק שלוש תצורות זכו בפועל לנוכחות קבועה בשוק, והן, כבל נחושת twinax, כבל נחושת twinax אקטיבי עם מעגלי השוואה (equaliser) ומקמ”שים סיב אופטיים.

לרוע המזל, חסרונות מופיעים בכל שלושת הגרסאות
1. לכבל נחושת twinax פסיבי יש מרחק שידור מרבי של 10 מטרים, בערך, בקצב של 10 ג’יגה סיביות בשנייה, ועל מנת לשמור על הנחתה נמוכה יש להשתמש במוליכי twinax עבים. העובי שלהם מגביל את רדיוס הכיפוף של הכבלים.
2. השימוש בכבלי נחושת אקטיביים מסתדר עם מוליכי twinax דקים יותר, אך כתוצאה מהמערכת האלקטרונית שבמודול, יש להם פיזור הספק סביב וואט אחד לכל נתיב (lane). מרחק השידור מוגבל ל-25 מטרים, בערך, בקצב של 10 ג’יגה סיביות בשנייה.
3. למקמ”שים סיב אופטיים נדרש עומק גדול יותר שנגזר מהמחבר הסיב אופטי, ולמודול SFP יש פיזור הספק של יותר מ-1 וואט. למחברי LC הנמצאים בשימוש נפוץ נדרש טיפול זהיר, על מנת למנוע זיהום ולהשיג יישור נכון של הסיבים האופטיים.
כמובן שרצוי היה שיהיה לנו כבל נתונים שלא מופיעים בו כל החסרונות האלו.

אין עוד מה לומר: כבלים אופטיים אקטיביים
חברת Luxtera פיתחה טכנולוגיה חדשה בתחום הפוטוניקה בסיליקון. בטכנולוגיה זו משדרים נתונים באמצעות אור באורך גל של 1490 ננו-מטר, שאפשר להעביר אותו גם במערכות גלבו (wavegide) מסיליקון. לטכנולוגיה זו יש יתרונות רבים:
1. מאחר שהאור מועבר דרך הסיליקון, אפשר להשתמש במאפנני אור משולבים את מערכות האלקטרוניקה לבקרה, את מאפנני האור ואת מקלטי האור – אפשר לשלב בשבב CMOS יחיד.
2. אפשר להפעיל נתיבים מרובים באמצעות מערכת לייזר משותפת הפועלת בגל רציף (CW). מתקבל פיזור הספק נמוך ביותר במערכת עם אורך חיים ארוך, בשל השימוש בלייזר DFB בגל רציף.
3. הסיבים האופטיים מחוברים ישירות לכניסות וליציאות של שבב CMOS. מצב זה מאפשר להשתמש בסיבים הפועלים במופע יחיד (mono-mode), ובכך מתאפשר

מרחק שידור ארוך יותר בהרבה
מרחק שידור של עד 4000 מטרים ב-10 ג’יגה סיביות בשנייה הודות לנפיצה (dispersion) נמוכה ביותר.
בשוק קיימים מוצרים שבהם נעשה שימוש בהתקני לייזר מסוג VCSEL. להתקנים מסוג זה יש קצב שידור מוגבל (מקסימום של 16 ג’יגה סיביות בשנייה) ומרחק שידור שמוגבל כתוצאה מההכרח להשתמש בסיבים רב מופעיים, אשר מוגבלים למרחק שידור של 100 מטרים בגלל הנפיצה.
בחודש מרס, שנת 2011, השתלבה חברת Molex בתהליך הייצור של הכבלים האופטיים האקטיביים (AOC) של Luxtera. הכבלים מורכבים משבב יחיד בטכנולוגיה פוטונית, שמצויד בלייזר יחיד מסוג משוב מבוזר של גל רציף (CWDFB), אשר משמש בשיתוף עבור ארבעה ערוצים עם אפנון חיצוני, ממספר מועט בלבד של רכיבים נוספים:
כיום אפשר למצוא כבלים אופטיים אקטיביים בצורת התקנים של כבלי AOC עם חיבור מסוג QSFP, בעלי קצב נתונים של 40 ג’יגה סיביות בשנייה. להלן, תיאור היתרונות שלהם, שכבר הוכחו בפעולה אקטיבית בהתקנה של אלפי כבלים. ראו איור 2.
א. אמינות גבוהה יותר, הנובעת ממספר מרכיבים קטן וממערכות לייזר DFB בעלות אורך חיים ארוך. אורך החיים השמיש הממוצע של לייזר מסוג DFB הוא 12 שנים, בהשוואה לחמש שנים, שהוא אורך החיים האופייני למערכות לייזר מסוג VCSEL (ארבע מתוכן כלולות בכבלי AOC רגילים).
ב. פיזור הספק של 780 מילי ואט בלבד לכל קצה של כבל לעומת 1.1 עד 1.6 ואט במוצרים דומים. פיזור הספק זה משפיע על עלויות האנרגיה המשמשת באופן ישיר, וגם על עלויות האנרגיה המשמשת באופן עקיף לקירור.
ג. יכולת פעולה בריבוי פרוטוקולים עבור InfiniBand™, Ethernet, Fibre Channel ו-PCI e
ד. יחס שגיאות בסיביות (BER) טוב יותר מ-10-18 – נמוך יותר בהרבה מהערך הצפוי לפי התקן התעשייתי, שהוא 10-15.
ה. רמת אינטגרציה גבוהה יותר מאפשרת את קיומה של צפיפות נמוכה באופן יוצא דופן במארזים
ו. אמינות שמגיעה ליותר מפי שניים מהערך המוערך של הזמב”ת (MTBF), שהוא 5 מיליון שעות.
ז. יכולת פעולה ביינית מוכחת על ידי הבדיקה המעשית לפעולה ביינית (plugfest) של האיגוד המסחרי InfiniBand () לשנת 2010: כבלי InfiniBand המאושרים לשימוש ביישומי 40G-IB-QDR
ח. אפשר להשתמש באותה תפיסה עבור קצב נתונים של 25 ג’יגה סיביות בשנייה, וגם יותר מזה.
לכבלי AOC יש צורך ברכיבים ספורים בלבד. ראו איור 3.
בניגוד לכך, המוצרים המתחרים עמוסים ברכיבים.

מה צפוי לנו עם כבלים אופטיים אקטיביים בעתיד
את כבלי AOC בגרסת QSFP של חברת Molex, עם 4 ערוצים של 10 ג’יגה סיביות בשנייה, אפשר להשיג כבר עתה מהמלאי. כבלי FDR בגרסת QSFP עם 4 ערוצים של 14 ג’יגה סיביות בשנייה, זמינים כבר מסוף שנת 2011. דגמים של אב טיפוס של הגרסה ל-100 ג’יגה סיביות בשנייה (4 ערוצים של 25 ג’יגה סיביות בשנייה) נמצאים בשוק מאמצע שנת 2012. על מנת לאפשר החלפה של החיבורים בקצוות הכבלים האקטיביים (למרות אמינותם הקיצונית), חברת Molex מציעה גם חיבורי קצוות של כבלים אקטיביים שבהם מותקנים מחברים סיב אופטיים מסוג MPO. ראו איור 4.
ובנוסף, החברות Molex ו-Luxtera משתפות פעולה בפיתוח של מקמש”ים מבוססים על התפיסה OptoPHYTM שאותה אפשר להתקין ישירות על המודול, לקבלת קצבי נתונים של 10, 14 ו-25 ג’יגה סיביות בשנייה.

למידע נוסף, בקרו באתר החברה.
Molex – הוא השם המסחרי הרשום של Molex Incorporated.
InfiniBand – הוא השם המסחרי הרשום של InfiniBand Trade Association.
OptoPHY – הוא השם המסחרי הרשום של Luxtera Inc.
שמות המותגים והשמות המסחריים הם קניינם של בעליהם בהתאמה.