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標題: QSFP-DD或將成為400G光模塊的主流封裝 [打印本頁]

作者: chaser12 時間: 2019-4-9 18:20
標題: QSFP-DD或將成為400G光模塊的主流封裝

時間進入2019年, 400G成為了光通信行業的熱門話題，全球領先的幾大光模塊廠商都推出了各自的400G光模塊。

當把這些廠商的400G光模塊封裝羅列出來后（如下圖所示）, 我們發現除了被收購的Finisar以外，其他廠商都采用了QSFP-DD封裝——市場似乎已經認可了QSFP-DD作為400G光模塊封裝的首選。有個別廠商還額外推出了OSFP封裝和CFP8封裝的400G光模塊。

◮主流廠商的400G光模塊封裝一覽

小提示 QSFP-DD是QSFP-DD MSA小組定義的一種高速可插拔模塊的封裝。

QSFP-DD封裝的發展史

為什么主流廠商都選擇QSFP-DD封裝呢？這是不是意味著未來的400G光模塊將以QSFP-DD封裝為主？為了弄清楚這些問題，我們先來看看QSFP-DD的發展史。

2016年3月21日，QSFP-DD MSA小組開始計劃開發QSFP-DD高速接口。

2016年9月19日，QSFP-DD MSA小組發布了包含圖紙的QSFP-DD硬件規格的1.0版本。

2017年3月13日，QSFP-DD MSA小組發布了QSFP-DD硬件規格的2.0版本和QSFP-DD白皮書。

2017年9月19日，QSFP-DD MSA小組發布了QSFP-DD硬件規格的3.0版本，并同期發布了CS連接器的規格。

2018年3月13日，QSFP-DD MSA小組發布了QSFP-DD熱設計白皮書，解決了在高性能數據中心環境下如何評估QSFP-DD模塊的熱性能的問題。

2018年8月30日，QSFP-DD MSA小組宣布QSFP-DD封裝成功通過了設備互操作性的測試，QSFP-DD封裝光模塊至此可以正式投入使用。

2018年9月18日，QSFP-DD MSA小組發布了QSFP-DD硬件規格的4.0版本和8/16通道可插拔光模塊通用管理接口規范的3.0版本。

至此, QSFP-DD MSA算是比較完善了，各大領先的光模塊廠商的QSFP-DD光模塊也在這一時期上市。

例如，全球領先的光互連設計革新者易飛揚通信(Gigalight)推出了用于大規模數據中心從100G跨越到400G這個過渡時期的200G光互連解決方案——200G QSFP-DD SR8光模塊和200G QSFP-DD系列有源光纜。

小結從2016年初到2018年底, QSFP-DD的誕生到成熟歷經了將近三年時間，這期間QSFP-DD MSA小組的成員也從當初的13名推廣發起者增加到現在的14名推廣發起者（3家公司被收購，所以實際上只剩下11名）和52名貢獻者。

這期間QSFP-DD MSA小組推廣發起者的變化也驗證了一句老話：

時勢造英雄——

II-VI收購老牌光模塊廠商Finisar（菲尼薩）；
Broadcom（博通）收購Brocade（博科）；
Lumentum（朗美通）收購Oclaro（奧蘭若）；
Cisco（思科）也完成了對Luxtera的收購。

經過這么多收購案，最后我們再來看看剩下的大佬們有哪些。

芯片提供商大佬Broadcom（Avago并購Broadcom后使用Broadcom作為品牌名）
設備商大佬Cisco和Huawei
器件商大佬Lumentum
光模塊廠商Foxconn Interconnect Technology
知名零配件商Molex和TE Connectivity

除此之外還有很多，覆蓋整個通信行業。

為什么這么多大佬共同大力推廣QSFP-DD封裝呢？下面讓我們來分析原因。

為什么采用QSFP-DD封裝

一個好的封裝首先必須支持網絡行業廣泛使用的傳輸媒介和光模塊類型。

傳輸媒介包括無源直連銅纜(DAC)、多模光纖(MMF)和單模光纖(SMF) 。

光模塊和有源銅纜或有源光纜則包括由以太網，光纖通道和InfiniBand標準定義的100Gb/s, 200Gb/s和400Gb/s系列。其次，新封裝的端口密度要與已經部署的網絡一致。最后，新封裝與已經被廣泛應用的QSFP封裝的向后兼容性對于行業采用至關重要。而QSFP-DD就是一種滿足以上所有條件的封裝。

QSFP-DD

中文名：雙密度四通道小型可插拔封裝，是一種新型模塊和籠式/連接器系統，類似于當前的QSFP, 但有一排額外的觸點，提供八通道電氣接口。

與常規QSFP28模塊相比, QSFP-DD模塊支持的高速電接口數量增加了一倍，所以QSFP-DD的全名中有個“雙密度”。 QSFP-DD支持50Gb/s的PAM4電調制格式，與QSFP28模塊相比，其端口速率提高了4倍。

接下來讓我們對QSFP-DD的特征逐一分析說明。

◮QSFP-DD模塊和設備接口示意圖

QSFP-DD的特征和好處

在QSFP（一種已經被廣泛采用的四通道電氣接口封裝，包括QSFP+和QSFP28）的基礎上進行了擴展。
采用2×1堆疊式集成籠和連接器。由于行業需求，除了單高籠式連接器系統外，大多數可插拔封裝最終都會開發出一種雙高堆疊籠式連接器系統。通常，單高籠式連接器系統包含在最初的MSA規范中，而雙高籠式連接器系統則留給獨立供應商。為了更好地服務于該行業, QSFP-DD MSA小組選擇同時開發單高和雙高籠式連接器系統。
QSFP-DD采用SMT(Surface-Mount Technology)連接器和1xN保持架，籠式設計優化和模塊外殼優化可實現每個模塊至少12瓦的熱容。QSFP-DD規范定義了高達14瓦的熱容級別以及14瓦以上的熱容級別。由于模塊和保持架設計中采用了創新的熱管理技術, QSFP-DD模塊在典型系統設計中支持至少12瓦的熱容，這受益于QSFP系列封裝系統設計的豐富的知識和經驗。更高的熱容降低了模塊對散熱功能的要求，從而避免了不必要的成本。
采用8通道電氣接口。QSFP-DD電氣接口采用8個通道，每通道速率高達25Gb/s（NRZ調制）或50Gb/s（PAM4調制），提供高達200Gb/s或400Gb/s聚合的解決方案。QSFP-DD可在單個交換機插槽中實現高達14.4Tb/s的聚合帶寬。通過在端口密度不變的情況下將聚合交換機帶寬增加四倍，QSFP-DD可以支持網絡帶寬需求和數據中心流量的持續增長。在QSFP-DD出現之前，最流行的接口一般是單通道(SFP和SFP+)或四通道(QSFP+和QSFP28), 為了適應對數據帶寬或信道容量的預期需求，行業組織定義了八通道的接口。但是當時支持八通道接口的可用封裝不具備支持更高速率接口的下一代系統所需的期望特征或密度。

于是, QSFP-DD MSA小組在QSFP(QSFP+和QSFP28)的基礎上擴展并定義了QSFP-DD。那么, QSFP-DD對比QSFP到底擴展了什么呢？

QSFP-DD vs. QSFP(QSFP+/QSFP28)

QSFP-DD的帶寬最高可達QSFP+的十倍或QSFP28的四倍。QSFP有四條電氣通道，每通道速率為10Gb/s(QSFP+)或25Gb/s(QSFP28), 聚合提供40Gb/s或100Gb/s的解決方案。而QSFP-DD可插拔封裝的電氣接口采用8個通道，每通道速率高達25Gb/s（NRZ調制）或50Gb/s（PAM4調制），聚合提供高達200Gb/s或400Gb/s的解決方案。
QSFP-DD向后兼容QSFP+/QSFP28。使用QSFP-DD模塊設計的系統向后兼容，支持現有的QSFP+/QSFP28模塊，為終端用戶和系統設計人員提供了靈活性。向后兼容性對于行業至關重要——由于ASIC設計用于支持多種接口速率，因此系統需要充分利用這一點。終端用戶可以利用較新的ASIC和系統產品，降低端口成本，并能夠插入各種當前可用的QSFP+/QSFP28模塊，以支持其所需的媒介和傳輸距離，而無需單獨的系統產品。大大降低了部署新設備的風險的同時，系統設計人員還可以利用已知技術和設計構建支持多種可插拔變體的通用產品。模塊設計人員無需將其低速率設計移植到新的非向后兼容封裝中，從而降低了總體成本。向后兼容性在器件規模化部署的時候能大量節省成本，所以非常重要。
QSFP-DD和QSFP+/QSFP28系統端口密度相同。但是，由于每個QSFP-DD端口可以容納8個通道而不是4個通道，因此QSFP-DD將其支持的現有接口（如CAUI-4）的ASIC端口數量增加了一倍。
主板上QSFP-DD的機械接口比QSFP+/QSFP28稍微深一些，用來容納額外的一排觸點。QSFP-DD高度和寬度與QSFP尺寸相同，使系統設計人員能夠為基于QSFP+/QSFP28或QSFP-DD的設計實現相同的系統端口計數密度。任何當前的QSFP+或QSFP28模塊都可以插入QSFP-DD端口。

小結 QSFP-DD對比QSFP+/QSFP28僅僅是長度增加了少許就在保證端口密度不變的情況下將帶寬提高到后者的10倍/4倍，而且還向后兼容，這意味著客戶跳過QSFP直接部署QSFP-DD系統都沒有關系，減少了大量的設備成本。

在文章的最開始，我們提到過有個別廠商還推出了OSFP封裝和CFP8封裝的400G光模塊，那么我們再來對比一下QSFP-DD和OSFP，以及QSFP-DD和CFP8，看看它們有什么不同。

◮QSFP-DD vs. OSFP vs. CFP8

QSFP-DD vs. OSFP

首先，讓我們來先了解一下OSFP。就在不久前OSFP MSA發布了2.0版本，根據它的描述，OSFP是一種新的可插拔封裝，具有8個高速電氣通道，最初將支持400Gb/s(8x50G)。

OSFP比QSFP寬一些和長一些，但仍然支持每1U前面板36個OSFP端口，每1U可實現14.4Tb/s容量。

小提示在最新發布的OSFP MSA中，OSFP已經支持800Gb/s了，這可能是OSFP存在的理由。

尺寸

根據前面的介紹，OSFP似乎跟QSFP-DD區別不大，僅僅是比QSFP-DD“寬一些和長一些”而已。

然而，當對比了它們具體的尺寸數值之后，我發現這個差別并不只是一點點。

QSFP-DD的寬度、長度和厚度為18.35mm*89.4mm*8.5mm, 而OSFP的寬度、長度和厚度為22.58mm*107.8mm*13.0mm, 粗略的把模塊當作長方體來計算, OSFP的體積是QSFP-DD的體積的兩倍多，顯然前者大的多。

熱容(Thermal Capacity)和功耗

QSFP-DD尺寸較小，所以它的熱容只有7到12瓦；而OSFP尺寸較大，所以它的熱容可以達到12至15瓦。熱容越大，表示光模塊能承受的功耗越大。

但是隨著技術的進步，一些行業領先的制造商已經可以將光模塊的功耗降低到遠低于MSA規定的封裝熱容上限，所以較大的熱容在未來似乎算不上什么優勢。和熱容一致, OSFP的功耗普遍高于QSFP-DD, 而眾所周知，功耗是越低越好的。

作為全球領先的光互連設計革新者，易飛揚通信(Gigalight)一直把低功耗作為光模塊的首要目標之一，其100G QSFP28 SR4光模塊經過設計方面的優化之后的功耗已經降低到2.5瓦以下，比同行的3.5瓦低了將近30%，其200G/400G光模塊在行業內也有低功耗優勢。

向后兼容

OSFP和QSFP-DD一樣向后兼容QSFP+/QSFP28, 但是需要額外使用一個OSFP到QSFP的轉接適配器來實現。

帶寬

QSFP-DD目前只能支持最高400Gb/s，但是OSFP可以支持最高到800Gb/s。考慮到可擴展性，不得不承認，OSFP略勝一籌。但是800Gb/s為時尚早，等到800Gb/s開始部署時，或許已經有更好的選擇也說不定。

小結 QSFP-DD主要是應用當前即將大規模部署的400G網絡（以及100G到400G過度用的200G），而OSFP則更可能是為未來的800G網絡而準備的。所以，結合現狀，QSFP-DD作為400G光模塊的封裝更合適。

QSFP-DD vs. CFP8

CFP系列從CFP開始，到CFP2，再到CFP4，最后終于到了CFP8，也算是歷史悠久的一個封裝系列了。

和QSFP系列封裝相比，CFP系列封裝似乎一直都不怎么受歡迎，其原因很明顯——尺寸太大且功耗太高。推廣CFP MSA發展的頭兩家公司（Finisar和Oclaro）也相繼被收購，我似乎感受到了CFP的窮途末路。

先來了解一下CFP8。關于CFP8封裝規格的說明，由CFP MSA在2017年3月17日正式發布1.0版本，和QSFP-DD MSA的2.0版本在同一時期。對比兩者，我們似乎早就該預見CFP8的沒落了。

尺寸

CFP8的尺寸(41.5mm*107.5mm*9.5mm)比QSFP-DD明顯大的多，體積是QSFP-DD的3倍多，甚至比OSFP還要大30%以上。

當然，CFP系列的光模塊一直都定位用于電信級的應用，其端口密度的要求并沒有數據中心那么高，所以尺寸大也說的過去。

但是隨著技術的進步, QSFP系列的光模塊也開始勝任電信級的應用，而且相比CFP系列光模塊, QSFP系列光模塊的功耗要低的多，于是CFP系列光模塊在電信級應用的的主導地位岌岌可危。

熱容和功耗

CFP8的熱容和功耗遠高于QSFP-DD。關于熱容和功耗的介紹，在前面的QSFP-DD vs. OSFP已經介紹過，道理是一樣的。

向后兼容

關于CFP8的硬件規格說明里完全沒有提到向后兼容（事實上，整個CFP系列似乎都不能向后兼容）。

針對CFP和CFP2系列光模塊，市面上很早就已經可以提供CFP到QSFP28的轉接適配器和CFP2到QSFP28的轉接適配器了，這也說明部分曾經的CFP系列的用戶現在已經在改用QSFP28光模塊了。

帶寬

CFP8和QSFP-DD最大的帶寬都是400Gb/s，但是CFP8只支持400Gb/s(16x25G或8x50G), 而QSFP-DD同時支持200Gb/s(8x25G)和400Gb/s(8x50G)。

小結無論從哪個方面看, QSFP-DD似乎都是比CFP8更好的選擇。

總結

通過分析QSFP-DD封裝的特征并將其與其他400G光模塊封裝對比，我們發現QSFP-DD在400G應用（例如數據中心互連）具有無可比擬的優勢。

預計在全球領先的超大規模數據中心即將部署400G的2019年, QSFP-DD或將成為400G光模塊的主流封裝。原文來自易飛揚社區站：https://www.gigalight.com/cn/bbs/article/400g-factor.html

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