الحل الفني لجهاز الإرسال والاستقبال البصري لمركز البيانات NVIDIA Mellanox MMAIB00-B150D

الحل الفني لجهاز الإرسال والاستقبال البصري لمركز البيانات NVIDIA Mellanox MMAIB00-B150D | موازنة عرض النطاق الترددي والمسافة عبر الروابط من حامل إلى حامل وبين المرافق

1. تحليل خلفية المشروع ومتطلباته

مع تطور بنيات مراكز البيانات لدعم التدريب المتزايد على الذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء (HPC) وأحمال عمل التخزين في المؤسسة، يجب أن يوفر الاتصال البيني للطبقة المادية بين الخوادم والمحولات وأنظمة التخزين نطاقًا تردديًا عاليًا ومرونة تشغيلية. في طبقة الوصول 25 جيجا - حيث تحدث معظم الاتصالات من خادم إلى محول - يواجه مهندسو الشبكات تحديًا بالغ الأهمية في التصميم: كيفية توفير اتصال 25 جيجا عبر مسافات مختلفة (من 5 أمتار إلى 100 متر) مع دعم كل من بروتوكولات Ethernet وInfiniBand، دون تكاثر أنواع أجهزة الإرسال والاستقبال أو المساس بسلامة الإشارة. يقدم النهج التقليدي المتمثل في الحفاظ على وحدات SKU منفصلة لجهاز الإرسال والاستقبال لكل بروتوكول وطبقة مسافة أعباء تشغيلية كبيرة، لأن أنسجة Ethernet وInfiniBand تتطلب دورات تأهيل مختلفة، كما أن الوحدات قصيرة المدى وبعيدة المدى تحمل هياكل تكلفة متميزة.

يتم تضخيم هذا التحدي من خلال اتجاهين متزامنين في الصناعة. أولاً، يتطلب الاعتماد المتزايد للبنيات المختلطة في مجموعات الذكاء الاصطناعي - حيث تخدم Ethernet حركة التخزين والإدارة بينما يتعامل InfiniBand مع اتصالات وحدة معالجة الرسومات إلى وحدة معالجة الرسومات - أجهزة إرسال واستقبال بصرية يمكنها العمل بسلاسة عبر بيئتي البروتوكول. ثانيًا، تعمل تفويضات الاستدامة على خفض استهلاك الطاقة لكل منفذ، لأن المحولات عالية الكثافة التي تحتوي على 48 أو 64 منفذًا SFP28 يمكن أن تستهلك طاقة كبيرة إذا لم يتم تحسين أجهزة الإرسال والاستقبال لتحقيق الكفاءة. مطلوب حل تقني منظم - حل موحد على جهاز إرسال واستقبال 25G SFP28 واحد يتميز جيدًا مع إمكانية البروتوكول المزدوج، وإرشادات واضحة لتخطيط المسافة، وإجراءات التحقق من صحة ميزانية الارتباط، ومراقبة السلامة الاستباقية عبر كل من أنسجة Ethernet وInfiniBand.

2. التصميم الشامل لبنية الشبكة/النظام

تتبنى البنية المقترحة طوبولوجيا ذات طبقتين مع منافذ 25G SFP28 تعمل كطبقة وصول لجميع عقد الحوسبة والتخزين ووحدة معالجة الرسومات. يتصل كل محول ورقي، مجهز عادةً بـ 48 أو 64 منفذًا SFP28، بالخوادم ووحدات التحكم في التخزين عبر روابط 25 جيجا بايت، بينما تقوم الوصلات الصاعدة المتعددة 100 جيجا بايت أو 400 جيجا بتوصيل طبقة الورقة بطبقة العمود الفقري لحركة المرور بين البودات ومركز البيانات (DCI). تدعم البنية كلاً من Ethernet (للتخزين والإدارة) وInfiniBand (للأنسجة من GPU إلى GPU وHPC) ضمن نفس تصميم الطبقة المادية، باستخدام SKU لجهاز الإرسال والاستقبال البصري المتسق لجميع روابط الوصول 25G بغض النظر عن البروتوكول.

لهذه العمارة،نفيديا ميلانوكس MMAIB00-B150Dتم اختياره باعتباره جهاز الإرسال والاستقبال البصري الوحيد 25G لجميع وصلات طبقة الوصول التي يصل طولها إلى 100 متر على ألياف OM4 و70 مترًا على ألياف OM3. هذاMMAIB00-B150D جهاز الإرسال والاستقبال البصرييعمل عبر ألياف مزدوجة متعددة الأوضاع باستخدام تقنية VCSEL 850 نانومتر، ويدعم كلاً من بروتوكولات 25GBASE-SR Ethernet و25G InfiniBand HDR دون إعادة تكوين البرامج الثابتة. تعد قدرة البروتوكول المزدوج أمرًا بالغ الأهمية لاستراتيجية SKU الموحدة للهندسة المعمارية، نظرًا لأننفيديا ميلانوكس MMAIB00-B150Dيكونمتوافق مع MMAIB00-B150Dمع كل من محولات NVIDIA Spectrum Ethernet ومحولات NVIDIA Quantum InfiniBand، بالإضافة إلى محولات سلسلة ConnectX ووحدات BlueField DPU.

تتضمن البنية أيضًا تصميمًا موحدًا لمصنع ألياف باستخدام موصلات LC مزدوجة وألياف OM4 متعددة الأوضاع لجميع التركيبات الجديدة، مع أحكام لإعادة استخدام البنية التحتية OM3 الحالية للروابط الأقصر حيث يسمح هامش الارتباط بذلك. يضمن هذا التصميم إمكانية توصيل أي منفذ SFP28 بأي نقطة نهاية ضمن حد الوصول البالغ 100 متر، مما يوفر أقصى قدر من المرونة لإعادة توازن السعة ودورات تحديث الأجهزة. يشير دليل التصميم إلىمواصفات MMAIB00-B150Dلنصف قطر الانحناء (ديناميكي 30 مم على الأقل)، ونظافة الموصل (وفقًا للمعيار IEC 61300-3-35)، وميزانيات فقدان الإدراج (إجمالي 2.5 ديسيبل بحد أقصى للوصلة الكاملة، بما في ذلك الموصلات والوصلات).

3. الدور والميزات الرئيسية لـ NVIDIA Mellanox MMAIB00-B150D في الحل

ضمن هذه العمارة،MMAIB00-B150D جهاز الإرسال والاستقبال البصرييعمل كواجهة بصرية موحدة تعمل على ربط المجال الكهربائي للمحول/المحول مع البنية التحتية للألياف الضوئية، مما يوفر أداءً ثابتًا عبر أقمشة Ethernet وInfiniBand. تعتبر ميزاته التقنية الرئيسية حاسمة لنجاح استراتيجية SKU الفردية:

• عملية البروتوكول المزدوج:يدعم كلاً من 25GBASE-SR Ethernet و25G InfiniBand HDR مع الاكتشاف التلقائي، مما يتيح مخزونًا موحدًا من أجهزة الإرسال والاستقبال عبر الأقمشة غير المتجانسة.
• جهاز إرسال VCSEL 850 نانومتر:يوفر طاقة خرج بصرية موثوقة (-4 إلى +4 ديسيبل ميلي واط) مع ضوضاء منخفضة الكثافة (RIN)، مما يدعم مخططات العين النظيفة عبر الألياف متعددة الأوضاع عند إشارة NRZ بسرعة 25.78 جيجابت في الثانية.
• جهاز استقبال PIN عالي الحساسية:تبلغ الحساسية النموذجية -8.5 ديسيبل ميلي واط، مما يوفر هامش ارتباط لا يقل عن 3.0 ديسيبل على OM4 على بعد 100 متر و5.0 ديسيبل على OM4 على بعد 70 مترًا، وهو ما يمثل فقدان الموصل وتقادمه.
• كفاءة الطاقة:الاستهلاك النموذجي أقل من 1.5 وات، مما يتيح تكوينات المنافذ الكثيفة دون تجاوز الميزانيات الحرارية.
• المراقبة التشخيصية الرقمية المتكاملة (DDM):إعداد تقارير في الوقت الفعلي عن طاقة Tx وطاقة Rx ودرجة الحرارة والجهد والتيار المتحيز عبر واجهة إدارة I²C القياسية، مما يتيح اكتشاف الأخطاء بشكل استباقي عبر بيئتي البروتوكول.
• نطاق درجة حرارة التشغيل واسعة:تتراوح درجة حرارة العلبة من 0 درجة مئوية إلى 70 درجة مئوية، مما يضمن التشغيل الموثوق به في بيئات الحامل عالية الكثافة ذات الحرارة المحيطة المرتفعة.
• تأهيل المصنع لكل من Ethernet وInfiniBand:يلغي الحاجة إلى دورات تأهيل منفصلة خاصة بالبروتوكول، مما يقلل من وقت النشر والمخاطر.

تم توثيق هذه الميزات بشكل شامل فيورقة بيانات MMAIB00-B150D، والذي يتضمن أقنعة مخطط العين، ومنحنيات تحمل الارتعاش، والرسومات الميكانيكية لدمجها في أدوات تخطيط الخزانة. توفر ورقة البيانات أيضًا جداول ميزانية الارتباط التفصيلية التي يتم الرجوع إليها أثناء مرحلة التخطيط المعماري للتحقق من أن إجمالي خسارة الإدراج لكل رابط تظل ضمن الميزانية الضوئية للوحدة.

4. توصيات النشر والقياس (مع وصف الهيكل النموذجي)

بالنسبة للنشر الأولي، نوصي باتباع نهج منظم لتقسيم المناطق يقوم بتعيين طبقات المسافة لأنواع الكابلات القياسية ويضمن هامش ارتباط ثابت عبر جميع الاتصالات، بغض النظر عن البروتوكول. يتم استخدام الهيكل النموذجي التالي لمحول ذو 48 منفذًا يخدم 48 خادمًا عبر ست خزانات (8 خوادم لكل خزانة)، مع مسافات بين الخزانات تتراوح من 5 إلى 90 مترًا:

• المنطقة أ (الحامل الداخلي، 2-5 أمتار):قم بتوجيه أسلاك التصحيح LC المزدوجة من المحول الطرفي إلى الخوادم. يتجاوز هامش الارتباط 6 ديسيبل، مما يضمن التشغيل القوي حتى مع التدهور المعتدل للموصل.
• المنطقة ب (الخزائن المجاورة، 8-25 مترًا):كابلات OM4 منظمة عبر صواني الألياف العلوية مع لوحات التوصيل المتوسطة. إجمالي عدد الموصلات: زوجان متزاوجان لكل رابط. هامش الارتباط: 4.5-5.0 ديسيبل، ضمن الحد الأدنى للوحدة وهو 3.0 ديسيبل.
• المنطقة ج (الممرات المتقاطعة/الصفوف الداخلية، 30-70 مترًا):صناديق OM4 منتهية مسبقًا مع موصلات مصقولة في المصنع، يتم توجيهها تحت الأرضيات المرتفعة. هامش الارتباط: 3.5-4.0 ديسيبل، لا يزال مريحًا حتى مع مراعاة ما يصل إلى 0.5 ديسيبل من التقادم على مدى 5 سنوات.
• المنطقة د (بين القاعات / الحرم الجامعي، 70-100 متر):يستخدم فقط لاتصالات الحرم الجامعي القصير حيث توجد البنية التحتية OM4. يبلغ هامش الارتباط عند 100 متر حوالي 3.0 ديسيبل، مما يتطلب تنظيفًا دقيقًا للموصل، والامتثال لنصف قطر الانحناء، والتحقق من هامش الطاقة أثناء التشغيل.

ويتبع التوسع إلى ما هو أبعد من حجرة واحدة نفس مبادئ تقسيم المناطق، مع إضافة مفاتيح التجميع الوسيطة التي تنهي روابط الوصول 25G من عدة حجرات. لأنMMAIB00-B150D حل جهاز الإرسال والاستقبال البصرييستخدم SKU واحدًا مع إمكانية البروتوكول المزدوج، ولا يتطلب التوسع التنبؤ بأنواع أجهزة الإرسال والاستقبال لكل بروتوكول أو مسافة - يتم توفير جميع الروابط بشكل مماثل. يعمل هذا على تبسيط العمليات اللوجستية ويسمح لفريق العمليات بالحفاظ على مخزون احتياطي صغير من أجهزة الإرسال والاستقبال الاحتياطية (عادةً 5% من الوحدات المنشورة) للاستبدال السريع أثناء أحداث الصيانة.

بالنسبة لتخطيط المسافة، يوفر الجدول التالي إرشادات للوصول الأقصى استنادًا إلى نوع الألياف وميزانية الارتباط:

عند النشر على مسافات تقترب من الحد الأقصى للوصول، ننصح بإجراء قياس الطاقة الضوئية أثناء التشغيل باستخدام مصدر الضوء ومقياس الطاقة، ومقارنة الخسارة المقاسة بالميزانية المحسوبة منورقة بيانات MMAIB00-B150D. تضمن خطوة التحقق هذه اكتشاف أي عيوب أو تلوث في الكابلات قبل وضع الارتباط في الإنتاج.

5. العمليات والصيانة: المراقبة واستكشاف الأخطاء وإصلاحها والتحسين

تتطلب دورة الحياة التشغيلية للبنية التحتية الضوئية المستندة إلى MMAIB00-B150D نهجًا منظمًا للمراقبة وإدارة الأخطاء، مع الاستفادة من إمكانات DDM للوحدة عبر نسيجي Ethernet وInfiniBand. نوصي بدمج واجهة إدارة I²C في نظام إدارة الشبكة المركزي (NMS) باستخدام SFF-8472 MIB القياسي لوحدات SFP. تتضمن الحدود الأساسية التي يجب تكوينها للتنبيهات الاستباقية ما يلي:

• تدهور طاقة تكساس:قم بالتنبيه في حالة انخفاض طاقة الخرج بأكثر من 2.0 ديسيبل من القيمة الاسمية، مما يشير إلى احتمال تقادم VCSEL أو تلوث الموصل في جانب الإرسال.
• هامش طاقة Rx:تحذير إذا اقتربت الطاقة المستلمة من -8.0 ديسيبل ميلي واط (مع حساسية تبلغ -8.5 ديسيبل ميلي واط)، مما يشير إلى فقدان الارتباط المفرط، أو تلف الكابل، أو سوء محاذاة الموصل.
• رحلات درجة الحرارة:تنبيه إذا تجاوزت درجة حرارة العلبة 65 درجة مئوية، مما يشير إلى انسداد تدفق الهواء، أو تعطل المروحة، أو ارتفاع درجة الحرارة المحيطة.
• التحيز الانجراف الحالي:مراقبة التغيرات في التحيز الليزر الحالي مع مرور الوقت؛ يمكن أن تشير الزيادة المستمرة التي تتجاوز 30٪ من القيمة الاسمية إلى تدهور VCSEL.

في حالة تدهور الارتباط أو فشله، يجب اتباع بروتوكول منظم لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها:

1. تحقق من قراءات DDM لعزل الخطأ - قارن قيم Tx وRx بالنطاقات المتوقعة منمواصفات MMAIB00-B150Dوتأكد مما إذا كانت المشكلة تؤثر على نسيجي Ethernet وInfiniBand أم على بروتوكول واحد فقط.
2. فحص موصلات LC المزدوجة في كلا الطرفين باستخدام مجهر نهاية الوجه؛ قم بالتنظيف إذا تم اكتشاف التلوث وفقًا لمعايير IEC 61300-3-35.
3. اختبر الارتباط باستخدام جهاز إرسال واستقبال MMAIB00-B150D معروف جيدًا للتأكد مما إذا كان الخلل يكمن في الوحدة أم في مصنع الألياف.
4. إذا استمرت المشكلة، فقم بإجراء اختبار OTDR لتحديد موقع أي فواصل للألياف أو انحناءات زائدة أو فشل في الوصلات في مسار الكابلات الهيكلية.
5. بالنسبة للمشكلات الخاصة بالبروتوكول، تحقق من تطابق تكوين المحول/نقطة النهاية مع وضع البروتوكول الذي تم اكتشافه تلقائيًا لجهاز الإرسال والاستقبال؛ على الرغم من أن MMAIB00-B150D يدعم الاكتشاف التلقائي، إلا أن بعض الأنظمة الأساسية القديمة قد تتطلب تكوينًا يدويًا للبروتوكول.

تتضمن فرص التحسين عمليات تدقيق دورية لإدارة الكابلات لضمان الحد الأدنى من الامتثال لنصف قطر الانحناء وللتحقق من عدم ضغط حزم الألياف أو تعرضها لتوتر مفرط. بالإضافة إلى ذلك، لأنسعر MMAIB00-B150Dنظرًا لأنها قادرة على المنافسة مع وحدات 25G SR المؤهلة الأخرى مع توفير إمكانية البروتوكول المزدوج، فإننا نوصي بالحفاظ على مخزون صغير من أجهزة الإرسال والاستقبال الاحتياطية (حوالي 5% من إجمالي الوحدات المنشورة) لتمكين الاستبدال السريع وتقليل MTTR. بالنسبة لعمليات النشر واسعة النطاق، فكر في تنفيذ لوحات معلومات الصحة البصرية الآلية التي تقوم بتجميع بيانات DDM عبر جميع الروابط في كل من أنسجة Ethernet وInfiniBand، مما يتيح الصيانة التنبؤية وتخطيط السعة.

6. ملخص وتقييم القيمة

النفيديا ميلانوكس MMAIB00-B150Dيوفر الحل التقني القائم على تقنية الواقع المعزز منهجية عملية تم التحقق من صحتها ميدانيًا لتحقيق التوازن بين عرض النطاق الترددي والمسافة ومرونة البروتوكول عبر شبكات الوصول إلى مركز البيانات 25G. من خلال التوحيد القياسي على جهاز إرسال واستقبال SFP28 واحد متوافق مع IEEE -MMAIB00-B150D جهاز الإرسال والاستقبال البصري— تقضي البنية على تعقيد إدارة وحدات SKU المتعددة للبروتوكولات المختلفة ومستويات المسافة، وتقلل من مخزون قطع الغيار، وتبسط تخطيط النشر. توفر تقنية VCSEL 850 نانومتر الخاصة بالوحدة، جنبًا إلى جنب مع جهاز استقبال PIN عالي الحساسية، أداءً موثوقًا عبر الألياف متعددة الأوضاع OM3 وOM4 التي يصل طولها إلى 100 متر، وتغطي الغالبية العظمى من الروابط داخل مراكز البيانات والحرم الجامعي مع دعم كل من أقمشة Ethernet وInfiniBand.

تتضمن مقاييس القيمة الرئيسية من عمليات النشر المماثلة ما يلي:

• تخفيض المخزون:يحل SKU واحد لجهاز الإرسال والاستقبال محل رقمين خاصين بالبروتوكول ورقمين خاصين بالمسافة، مما يقلل من الحمل اللوجستي بنسبة 60-70%.
• كفاءة الطاقة:عند أقل من 1.5 وات لكل وحدة، يساهم MMAIB00-B150D في خفض تكاليف التبريد وتحسين PUE.
• الموثوقية التشغيلية:تعمل المراقبة الاستباقية التي تدعم DDM على تقليل MTTR بنسبة تصل إلى 60% لأخطاء الطبقة الضوئية عبر كلا النوعين من القماش.
• تحسين التكلفة:السعر MMAIB00-B150Dتتميز هذه الوحدة بأنها قادرة على المنافسة مع وحدات 25G SR المؤهلة الأخرى، بينما تعمل قدرتها على البروتوكول المزدوج وتوافقها الواسع على التخلص من تكاليف التأهيل الإضافية وتقليل تكاليف التدريب.

بالنسبة لمهندسي الشبكات والمهندسين الرائدين، يوفر MMAIB00-B150D واجهة بصرية "ملائمة ونسيان" تحافظ على أداء ثابت عبر اختلافات درجات الحرارة والضغوط الميكانيكية وبيئات البروتوكول. يوصى بهذا الحل بشكل خاص لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي الجديدة التي تخطط لشبكات وصول موحدة 25 جيجا مع أنسجة إيثرنت وInfiniBand المختلطة، بالإضافة إلى بيئات الحقول البنية التي يتم ترقيتها من 10 جيجا إلى 25 جيجا مع إعادة استخدام البنية التحتية الحالية للألياف متعددة الأوضاع. مع استمرار 25G Ethernet و25G InfiniBand في العمل كأساس لطبقة الوصول للذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء وبيئات تخزين المؤسسات، توفر البنية البصرية المستندة إلى MMAIB00-B150D أساسًا قويًا وقابلًا للتطوير يتوافق مع كل من القيود التشغيلية الحالية وخرائط طريق السعة طويلة المدى.

للحصول على إرشادات التكامل التفصيلية، وبيانات المحاكاة الحرارية، وحزم شهادات الامتثال، يرجى الرجوع إلى وثائق المنتج الرسمية.