Bagaimana 255 Tbit / s diproses dalam komunikasi serat optik?

Saya tidak pernah mengerti bagaimana kecepatan transfer data pemecah rekor baru dicapai dalam hal konversi dari / ke sinyal listrik dan optik.

Misalkan kita memiliki 255 Tbit data dan kami ingin mentransfernya dalam satu detik. (Ini adalah pencapaian dunia nyata.) Anda menyimpan 255 Tbits, katakanlah, 255 triliun kapasitor (itu RAM). Sekarang kita diharapkan dapat membaca masing-masing secara berturut-turut, menanyakan setiap bit sehingga satu detik kemudian kita telah membaca 255 triliun dari semuanya. Ini jelas tidak diatur oleh prosesor 3 GHz.

Bagaimana dengan penerima? Pulsa datang pada 255 THz, namun refresh rate elektronik yang mencoba membaca sinyal yang masuk sejauh ini bukan 255 THz. Satu-satunya hal yang dapat saya bayangkan adalah ribuan prosesor dengan pembagian waktu sinyal jam mereka berlipat ganda (tertunda) kurang dari 0,000000000001 dtk. Meskipun bagaimana mencapai multiplexing semacam itu juga semacam membawa saya kembali ke masalah saya dengan perbedaan frekuensi ribuan kali lipat ini.

Daripada mengkhawatirkan makalah penelitian yang mendorong segala sesuatunya sampai batas, mulailah dengan memahami hal-hal yang ada di depan Anda.

Bagaimana hard drive SATA 3 di komputer rumah meletakkan 6 Gbits / s ke bawah tautan serial? Prosesor utama bukan 6 GHz dan yang ada di hard drive tentu saja tidak sesuai dengan logika Anda.

Jawabannya adalah bahwa prosesor tidak duduk di sana mengeluarkan sedikit demi sedikit, ada perangkat keras khusus yang disebut SERDES (serializer / deserializer) yang mengubah aliran data paralel kecepatan rendah menjadi serial kecepatan tinggi dan kemudian kembali lagi di ujung lainnya. Jika itu bekerja di blok 32 bit maka nilainya di bawah 200 MHz. Dan data itu kemudian ditangani oleh sistem DMA yang secara otomatis memindahkan data antara SERDES dan memori tanpa melibatkan prosesor. Yang harus dilakukan prosesor adalah menginstruksikan pengendali DMA di mana data berada, berapa banyak yang harus dikirim, dan ke mana harus menjawab. Setelah itu prosesor dapat mati dan melakukan sesuatu yang lain, pengontrol DMA akan menyela setelah pekerjaan selesai.

Dan jika CPU menghabiskan sebagian besar waktunya menganggur, ia dapat menggunakan waktu itu untuk memulai DMA & SERDES kedua yang berjalan pada transfer kedua. Bahkan satu CPU dapat menjalankan beberapa dari transfer-transfer tersebut secara paralel sehingga memberikan Anda data rate yang cukup sehat.

OK ini listrik daripada optik dan 50.000 kali lebih lambat dari sistem yang Anda tanyakan tetapi konsep dasar yang sama berlaku. Prosesor hanya berurusan dengan data dalam potongan besar, perangkat keras khusus berurusan dengan itu dalam potongan-potongan kecil dan hanya beberapa perangkat keras yang sangat khusus berurusan dengannya 1 bit setiap kali. Anda kemudian meletakkan banyak tautan secara paralel.

Satu tambahan terlambat untuk ini yang diisyaratkan pada jawaban lain tetapi tidak dijelaskan secara eksplisit di mana pun adalah perbedaan antara bit rate dan baud rate. Kecepatan bit adalah kecepatan di mana data ditransmisikan, laju baud adalah laju di mana simbol ditransmisikan. Pada banyak sistem, simbol-simbol ditransmisikan pada bit-bit biner sehingga kedua angka tersebut secara efektif sama, itulah sebabnya ada banyak kebingungan di antara keduanya.

Namun pada beberapa sistem, sistem pengkodean multi-bit digunakan. Jika alih-alih mengirim 0 V atau 3 V ke kawat setiap periode jam Anda mengirim 0 V, 1 V, 2 V atau 3 V untuk setiap jam maka laju simbol Anda sama, 1 simbol per jam. Tetapi setiap simbol memiliki 4 status yang memungkinkan sehingga dapat menampung 2 bit data. Ini berarti bit rate Anda telah berlipat ganda tanpa meningkatkan clock rate.

Tidak ada sistem dunia nyata yang saya sadari menggunakan simbol multi-bit gaya level tegangan tingkat sederhana seperti itu, matematika di balik sistem dunia nyata bisa menjadi sangat buruk, tetapi prinsip dasarnya tetap sama; jika Anda memiliki lebih dari dua kemungkinan status maka Anda bisa mendapatkan lebih banyak bit per jam. Ethernet dan ADSL adalah dua sistem kelistrikan yang paling umum yang menggunakan jenis pengkodean seperti halnya sistem radio modern. Seperti @ alex.forencich mengatakan dalam jawabannya yang sangat baik sistem Anda bertanya tentang menggunakan format sinyal 32-QAM (Quadrature amplitude modulation), 32 simbol yang berbeda yang berarti 5 bit per simbol yang dikirimkan.

Sepertinya Anda merujuk secara khusus ke http://www.nature.com/nphoton/journal/v8/n11/full/nphoton.2014.243.html . Itu bisa dibaca di sini: https://www.researchgate.net/publication/269099858_Ultra-high-density_spatial_division_multiplexing_with_a_few-mode_multicore_fibre .

Dalam hal ini, ini sedikit lebih rumit daripada "sinyal optik". Tautan yang dimaksud menggunakan berbagai bentuk paralelisme untuk mencapai angka 255 Tbps:

• Multiplexing divisi panjang gelombang padat digunakan untuk menjejalkan 50 panjang gelombang yang berbeda ke dalam serat pada interval 50 GHz (~ 0,8 nm pada pita 1550 nm C band), masing-masing membawa 1/50 data.

• Serat yang digunakan adalah serat 7 inti yang dibuat khusus, serat beberapa mode, dengan 3 mode per inti, masing-masing dengan 2 polarisasi, untuk 7 * 3 * 2 = 42 saluran independen (kurang lebih). Sepertinya titik penjualan serat mereka adalah bahwa isolasi antar inti cukup baik, sehingga penerima hanya harus menyamakan crosstalk antara mode dan polarisasi masing-masing inti secara terpisah (7 paralel 6x6 bukannya 42x42).

Kemudian, mereka menggunakan format sinyal 24,3 Gbaud 32-QAM (5 bit per simbol, 24,3 * 5 = 121,5 Gbps) untuk semua 42 * 50 saluran, untuk bandwidth keseluruhan 0,1215 * 42 * 50 = 255,15 Tbps.

Sekarang, orang-orang ini sebenarnya curang sedikit di sini: mereka mengambil 50 laser, multiplex bersama, memodulasi itu dengan modulator IQ tunggal, kemudian menghiaskan polarisasi dan saluran yang berdekatan dengan penundaan tetap untuk ditiru menggunakan pemancar independen. Jadi itu benar-benar hanya satu sinyal pada 121,5 Gbps, diulang 2100 kali secara paralel. Dan sinyal yang ditransmisikan mungkin hanyalah sekuen biner pseudorandom (PRBS) yang dihasilkan dengan cepat dan tidak terbaca dari memori. Atau itu bisa dibaca dari SRAM cepat atau array DRAM dalam generator gelombang sewenang-wenang kinerja tinggi.

Di sisi penerimaan, pemrosesan sinyal digital diperlukan untuk memulihkan data asli dengan mengkompensasi crosstalk antara mode dan polarisasi di setiap inti dan menerapkan koreksi kesalahan. Makalah ini menyebutkan angka 200 Tbps net, yang akan menjadi data rate sebelum encoding untuk transmisi (mirip dengan bagaimana ethernet gigabit 1000BASE-X adalah 1 Gbps sebelum encoding dan 1,25 Gbps setelah, atau PCIe 2/4 / 7,877 Gbps sebelum encoding dan 2.5 / 5/8 Gbps setelah) tetapi tidak jelas apa pengkodean dan meneruskan skema koreksi kesalahan yang mereka asumsikan.

Sepertinya mereka tidak membangun penerima yang sebenarnya, tetapi mereka malah menggunakan dua osiloskop berkecepatan tinggi dengan detektor yang koheren untuk menangkap data mentah dan kemudian melakukan pemrosesan sinyal dan penyetaraan secara offline. Mereka juga harus melakukan penangkapan interleaved waktu mewah karena mereka harus menjalankan deteksi koheren pada semua 3 mode dari setiap inti serat pada saat yang sama, tetapi mereka hanya memiliki 2 osiloskop cepat yang tersedia. Dan bahkan pengaturan itu hanya memungkinkan mereka untuk menerima 1 panjang gelombang pada 1 inti serat pada satu waktu - 729 Gbps, dan hanya dalam ledakan singkat.

Tetapi semua ini baik-baik saja, karena kertas itu tentang serat dan bukan tautan yang sebenarnya.

TL; DR: angka 255 Tbps sedikit menyesatkan - mereka tidak membangun transceiver yang mampu melakukan itu, tetapi mereka mengevaluasi serat multicore yang mereka buat dengan 2100 salinan sinyal 121,5 Gpbs dan satu penerima.

Mengabaikan perincian transmisi tertentu yang dipermasalahkan (yang @ alex.forencich sudah bahas dengan sangat mendetail), sepertinya bermanfaat untuk mempertimbangkan kasus yang lebih umum.

Meskipun transmisi khusus ini mencapai 255 Tbps melalui serat, tautan serat yang sangat cepat sudah biasa digunakan. Saya tidak yakin persis berapa banyak penyebaran yang ada (mungkin tidak terlalu banyak) tetapi ada spesifikasi komersial untuk OC-1920 / STM-640 dan OC-3840 / STM-1280, dengan tingkat transmisi masing-masing 100 dan 200-Gbps . Itu kira-kira tiga urutan besarnya lebih lambat dari tes ini menunjukkan, tetapi masih cukup cepat oleh sebagian besar tindakan biasa.

Jadi, bagaimana ini dilakukan? Banyak teknik yang sama digunakan. Secara khusus, hampir semuanya melakukan transmisi serat "cepat" menggunakan dense wave division multiplexing (DWDM). Ini berarti, pada dasarnya, bahwa Anda mulai dengan sejumlah besar (cukup) laser, masing-masing mentransmisikan panjang gelombang cahaya yang berbeda. Anda memodulasi bit ke dalamnya, dan kemudian mentransmisikan semuanya bersama-sama melalui serat yang sama - tetapi dari sudut pandang listrik, Anda memberi makan sejumlah aliran bit yang benar-benar terpisah ke dalam modulator, kemudian Anda mencampur output secara optik, jadi semua warna-warna cahaya yang berbeda melewati serat yang sama pada saat yang sama.

Pada sisi penerima, filter optik digunakan untuk memisahkan warna lagi, dan kemudian phototransistor digunakan untuk membaca aliran bit individual.

Meskipun saya telah menunjukkan hanya 7 input / output, sistem nyata menggunakan puluhan panjang gelombang.

Mengenai apa yang diperlukan untuk pengiriman dan penerimaan: well, ada alasan mengapa back-bone router mahal. Walaupun satu memori hanya perlu memberi makan sebagian kecil dari keseluruhan bandwidth, Anda biasanya masih membutuhkan RAM yang cukup cepat - cukup banyak bagian router yang lebih cepat menggunakan SRAM high-end, sehingga pada saat itu data berasal dari gerbang, bukan kapasitor.

Mungkin perlu dicatat bahwa bahkan pada kecepatan yang lebih rendah (dan terlepas dari implementasi fisik seperti DWDM) itu tradisional untuk mengisolasi bagian kecepatan tertinggi dari rangkaian ke beberapa bagian kecil. Misalnya, XGMII menetapkan komunikasi antara 10 gigabit / detik Ethernet MAC dan PHY. Meskipun transmisi melalui media fisik adalah bitstream (di setiap arah) yang membawa 10 gigabit per detik, XGMII menentukan bus lebar 32-bit antara MAC dan PHY, sehingga laju jam pada bus tersebut sekitar 10 GHz / 32 = 312,5 MHz (well, secara teknis jam itu sendiri setengahnya - ia menggunakan pensinyalan DDR, jadi ada data tentang naik dan turunnya tepi jam). Hanya di dalam PHY siapa pun harus berurusan dengan clock rate multi-GHz. Tentu saja, XGMII bukan satu-satunya antarmuka MAC / PHY,