¿Cómo se procesa 255 Tbit/s de comunicación de fibra óptica?

Question

Nunca he entendido cómo el nuevo récord de velocidad de transferencia de datos se obtienen en términos de la conversión de/a eléctrica y de señales ópticas.

Supongamos que tenemos 255 Tbits de datos y queremos transferir en un segundo. (Este es un mundo real logro.) Tienes 255 Tbits almacenados en, digamos, 255 billones de condensadores (RAM). Ahora estamos a la espera de ser capaz de leer cada uno sucesivamente, preguntando a cada poco, así que un segundo más tarde hemos leído todos los 255 billones de ellas. Esta no es, obviamente, orquestada por un 3 GHz de procesador.

¿Qué acerca de la recepción final? Los pulsos están llegando a 255 THz, sin embargo, la frecuencia de actualización de la electrónica tratando de leer una señal de entrada está por el momento no 255 THz. Lo único que puedo imaginar es a miles de procesadores con sus señales de reloj de multiplexado por división de tiempo (con retraso) por menos de 0.000000000001 secs. Aunque ¿cómo lograr ese multiplexación también la clase de la que me lleva de vuelta a mi problema con esto miles de veces la diferencia en las frecuencias.

Answer 1

Parece que te estás refiriendo específicamente a http://www.nature.com/nphoton/journal/v8/n11/full/nphoton.2014.243.html . Se puede leer aquí: https://www.researchgate.net/publication/269099858_Ultra-high-density_spatial_division_multiplexing_with_a_few-mode_multicore_fibre .

En este caso, es un poco más complicado que "una señal óptica". El enlace en cuestión utiliza múltiples formas de paralelismo para lograr que 255 Tbps figura:

• Denso de multiplexación por división de longitud de onda se utiliza para meter 50 diferentes longitudes de onda en la fibra de 50 GHz intervalos (~0.8 nm en el 1550 nm banda C), cada uno llevando 1/50th de los datos.

• La fibra utilizada es un encargo de 7 core, par-modo de la fibra, con 3 modos por núcleo, cada uno con 2 polarizaciones, para 7*3*2 = 42 independientes (más o menos) con canales de suscripción. Parece que el punto de venta de su fibra es que el aislamiento entre los núcleos es bastante buena, por lo que el receptor sólo tiene que igualar la intercomunicación entre los modos y las polarizaciones de cada núcleo por separado (7 paralelo 6x6 en lugar de 42x42).

A continuación, se utiliza un 24,3 Gbaud 32-QAM formato de la señal (5 bits por símbolo, 24.3*5 = 121.5 Gbps) para todos los 42*50 canales, para un total de ancho de banda de 0.1215*42*50 = 255.15 programas de duración determinada.

Ahora, estos chicos realmente engañado un poco aquí: se toman 50 láseres, multiplex juntos, modular que con un único modulador IQ, entonces decorrelate las polarizaciones y canales adyacentes con los retrasos fijos para emular el uso independiente de los transmisores. Por lo que es realmente solo una señal en 121.5 Gbps, que se repite 2100 veces en paralelo. Y la señal transmitida es, probablemente, sólo una secuencia binaria pseudoaleatoria (PRBS) que se genera sobre la marcha y no no se leen de la memoria. O podría ser la lectura de rápido SRAM o un array de DRAM de alto rendimiento del generador de forma de onda arbitraria.

En el lado de recepción, procesamiento digital de la señal que se necesita para recuperar los datos originales de la compensación de la interferencia entre los modos y las polarizaciones en cada núcleo y la aplicación de la corrección de errores. El documento menciona una cifra de 200 programas de duración determinada red, que sería la tasa de datos antes de la codificación para la transmisión (similar a como 1000BASE-X gigabit ethernet de 1 Gbps antes de la codificación y de 1.25 Gbps después, o PCIe es 2/4/7.877 Gbps antes de la codificación y 2.5/5/8 Gbps después), pero no está claro cuál es la codificación y corrección de errores hacia adelante esquema están asumiendo.

También se ve como no crear un verdadero receptor, pero que en cambio el uso de dos de alta velocidad osciloscopios coherente con detectores de captura de datos en bruto y luego realizar el procesamiento de la señal para la ecualización y fuera de línea. También tenían que realizar una fantasía tiempo intercalado de captura debido a que tenían que ejecutar detección coherente en todos los 3 modos de cada núcleo de la fibra, al mismo tiempo, pero sólo tenía 2 fast osciloscopios disponible. E incluso que el programa de instalación sólo se les permite recibir 1 longitud de onda de 1 núcleo de la fibra en un momento--729 Gbps, y sólo en ráfagas cortas.

Pero todo esto está bien, porque el papel es acerca de la fibra y no el enlace.

TL;DR: el 255 Tbps la figura es un poco engañoso, ya que no construyó un transceptor capaces de eso, pero se evaluaron los núcleos de la fibra que hicieron con 2100 copias de un 121.5 Gpbs de la señal y un único receptor.

Answer 2

En lugar de preocuparse de un trabajo de investigación que está empujando las cosas al límite en primer lugar, empezar por la comprensión de las cosas sentados en frente de usted.

¿Cómo se hace un SATA 3 unidad de disco duro en un ordenador de casa poner 6 Gbits/s en un enlace serial? El procesador principal no es de 6 GHz y el de la unidad de disco duro no es, sin duda por su lógica no debería ser posible.

La respuesta es que los procesadores no están allí sentado, poniendo un poco en un momento, no es de hardware dedicado llamado SERDES (serializador / deserializer) que convierte una menor velocidad de datos en paralelo, la corriente en una serie de alta velocidad y, a continuación, de nuevo en el otro extremo. Si que funciona en bloques de 32 bits, a continuación, la tasa es de menos de 200 MHz. Y que los datos se gestiona por un DMA sistema que automáticamente mueve los datos entre los SERDES y la memoria sin el procesador de involucrarse. Todo el procesador tiene que hacer es indicar al controlador de DMA en el que los datos, la cantidad a enviar y donde poner ninguna respuesta. Después de que el procesador puede ir y hacer algo más, el controlador DMA se interrumpirá una vez terminado el trabajo.

Y si la CPU está gastando la mayor parte de su tiempo de inactividad podría utilizar ese tiempo para iniciar una segunda DMA & SERDES se ejecutan en una segunda transferencia. De hecho, una CPU puede ejecutar muy pocas de esas transferencias en paralelo dando una saludable tasa de datos.

ACEPTAR esto es eléctrico en lugar de óptica y es 50.000 veces más lento que el sistema que le pidieron, pero los mismos conceptos básicos que se aplican. El procesador sólo trata los datos en trozos grandes, hardware dedicado trata en trozos pequeños y sólo algunos muy especializados de hardware trata de 1 bit a la vez. Usted, a continuación, poner un montón de esos enlaces en paralelo.

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Una adición tardía a este que se insinúa en las otras respuestas, pero no está explícitamente explicó en cualquier lugar es la diferencia entre la tasa de bits y la velocidad en baudios. Tasa de bits es la velocidad a la que se transmiten los datos, la tasa de baudios es la tasa a la cual los símbolos son de transmisión sexual. En muchos de los sistemas de los símbolos de transmisión en bits binarios y así los dos números son efectivamente el mismo que es el por qué no puede haber una gran confusión entre los dos.

Sin embargo, en algunos sistemas, un multi-bit de sistema de codificación utilizado. Si en lugar de enviar 0 V o 3 V por el cable cada reloj período de enviar 0 V, 1 V, 2 V o 3 V para cada reloj, a continuación, su velocidad de símbolo es el mismo, 1 símbolo por reloj. Pero cada símbolo tiene 4 estados posibles y así puede mantener 2 bits de datos. Esto significa que su tasa de bits se ha duplicado, sin aumentar la frecuencia de reloj.

No hay mundo real de los sistemas que estoy consciente de que el uso de un simple nivel de tensión de estilo multi-bit símbolo, las matemáticas detrás de mundo real de los sistemas puede ser muy desagradable, pero el principio básico sigue siendo el mismo; si tiene más de dos estados posibles, a continuación, usted puede obtener más bits por reloj. Ethernet y ADSL son los dos más comunes de los sistemas eléctricos que se utilice este tipo de codificación que hace apenas alrededor de cualquier moderno sistema de radio. @Alex.forencich dijo en su excelente respuesta del sistema se le preguntó acerca de la utiliza de 32-QAM (modulación de amplitud en Cuadratura) formato de señal, de 32 posibles diferentes símbolos de significado 5 bits por símbolo transmitido.

Answer 3

Ignorando los detalles de la específica de la transmisión en cuestión (que @alex.forencich ha discutido ya en considerable detalle), parece que es probablemente útil considerar el caso más general.

Aunque esta transmisión en particular golpe de 255 Tbps a través de la fibra, extremadamente rápido enlaces de fibra ya están en uso regular. No estoy seguro exactamente de cómo muchas implementaciones hay (probablemente no muchos), pero no hay especificaciones comerciales para OC-1920/STM-640 y OC-3840/STM-1280, con velocidades de transmisión de 100 y 200 Gbps respectivamente. Eso es aproximadamente tres órdenes de magnitud más lento que esta prueba ha demostrado, pero aún así es muy rápido por que la mayoría de las medidas.

Así que, ¿cómo se hace esto? Muchas de las mismas técnicas que se utilizan. En particular, casi todo lo que hace "rápida" de la fibra de transmisión utiliza denso wave division multiplexing (DWDM). Esto significa, en esencia, que comience con una (bastante) gran número de láseres, cada transmisión de una longitud de onda diferente de la luz. Usted modular bits en las personas, y, a continuación, transmitir a todos juntos, a través de la misma fibra, pero desde un punto de vista eléctrico, estás alimentando un número separado de flujos de bits en el moduladores, entonces usted va a mezclar las salidas ópticamente, por lo que todos los diferentes colores de la luz pase a través de la misma fibra, al mismo tiempo.

En el extremo receptor, filtros ópticos se utilizan para separar los colores de nuevo y, a continuación, un fototransistor se utiliza para leer un individuo secuencia de bits.

Aunque he mostrado sólo 7 entradas/salidas, los sistemas reales utiliza decenas de longitudes de onda.

En cuanto a lo que se necesita en la transmisión y recepción de los extremos: bueno, hay una razón por la espina dorsal de los routers son caros. Aunque una sola memoria sólo necesita para alimentar a una fracción del ancho de banda global, usted todavía necesita típicamente bastante rápido RAM--un poco de las partes más rápidas de los enrutadores utilizan bastante alta gama SRAM, así que en ese punto los datos procedentes de las puertas, no condensadores.

Es probablemente vale la pena señalar que, incluso a bajas velocidades (y a pesar de la implementación física como DWDM) es tradicional para aislar a la más alta velocidad de partes del circuito de unos pocos, partes pequeñas. Por ejemplo, XGMII especifica la comunicación entre 10 gigabit/segundo Ethernet MAC y PHY. Aunque la transmisión por el medio físico es un flujo de bits (en cada dirección) la realización de 10 gigabits por segundo, XGMII especifica una versión de 32 bits de ancho de bus entre el MAC y PHY, por lo que la frecuencia de reloj en ese bus es de aproximadamente 10 GHz/32 = 312.5 MHz (bueno, técnicamente el reloj en sí es la mitad que--usa la señalización de DDR, así que no hay datos en los flancos ascendente y descendente del reloj). Sólo dentro de la física (PHY) ¿alguno de los que tienen que lidiar con un multi-GHz de velocidad de reloj. Por supuesto, XGMII no es el único MAC/PHY de la interfaz, pero la mayoría son similares en este aspecto-es decir, todos ellos tienen un alcance más amplio de la interfaz en un reloj más baja, luego de que el PHY pone los N bits en paralelo juntos en una sola secuencia de bits para su transmisión a través del medio (por ejemplo, Gigabit Ethernet define GMII usando 8 bits de ancho de bus a 125 MHz).