200Gvs400G：谁是数据中心网络下一站？

互联网联接全球 40 亿多用户，支撑着vr/ar、16k视频、自动驾驶、人工智能、5g、物联网等层出不穷的数字化应用。教育、医疗、办公等用户线上与线下的结合，正在影响和改变人们生活的方方面面。
数据中心网络，作为互联网业务赖以生存和发展的基础设施，早已从最初的千兆、万兆网络，走到了“25g接入+100g互联”规模部署的阶段。
100g互联：全盒架构被大型互联网企业看重
“25g接入+100g互联”的架构下，数据中心网络通过三级组网实现大规模接入，单集群服务器规模可以超过10万台。
如下图所示，基于t1和t2层的pod可以像乐高积木一样灵活扩展，按需建设。
图1：右侧引用自 https://techblog.comsoc.org/2019/03/18/facebooks-f16-achieves-400g-effective-intra-dc-speeds-using-100ge-fabric-switches-and-100g-optics-other-hyperscalers/随着大容量转发芯片的能力提升以及100g光互联成本的降低，市场上出现了单芯片交换机设备构建100g互联的全盒式设备组网方案。这种单芯片多平面的互联方案，以12.8t芯片为典型代表，单芯片可提供128x100g的端口密度，单个pod可提供2000台服务器的接入能力。
图2：典型128口100ge高密盒式交换机全盒式设备组网方案，相对传统框盒设备方案，虽然网络节点数量和设备间的光互联模块数量有所增加，带来了运维工作量的增长，但因引入了高性能转发芯片，有效降低了数据中心网络端口的单比特成本，对大型互联网企业吸引力很强。大型互联网企业一方面快速引入100g全盒架构，以降低网络建设成本，另一方面基于自身较强的研发能力，提升网络自动化部署和维护水平来应对运维工作量增长挑战。
因此，大型互联网企业对于100g网络方案思路趋同，全盒设备组网成为100ge网络架构演进的基座。
网络提速成为必然，谁会是下一站?
25g接入+100g互联网络方案促成芯片选型的统一和快速上量，充分说明了技术红利驱动了idc网络架构的快速演进。随着单芯片网络产品的推出，100g代际的技术红利也已经得到了完全的获取。
在当前业务持续快速发展的背景下，带宽升级成为必然。一个选择题摆到了企业面前：选200g还是400g?
网络从来都不是孤立的存在，产业的环境是决定技术是否能够成长、成熟的大土壤。
我们先从网络标准、服务器和光模块三方面审视下200g和400g的产业现状。
200g vs 400g标准：协议标准均已成熟
在ieee 协议标准演进过程中，200g标准启动晚于400g标准。
ieee 802.3以太网工作组(working group)在完成bwa i(bandwidth assessment i)项目调研后，于2013年立项制定400g标准。2015年，为了进一步扩展市场范围纳入50g服务器和200g交换机规格，ieee成立802.3cd项目，启动制定200g标准。
因200g与400g规格具备相关性， 200g单模规格最终纳入了802.3bs项目。届时，400g已经基本完成pcs、pma、pmd的主要设计，200g单模规格总体上是基于400g单模规格减半制定。
2017年12月6日，ieee 802最终批准ieee 802.3bs 400g以太标准规范，包含400g以太和200g以太单模，标准正式发布。ieee 802.3cd 定义了200g以太多模的标准，于2018年12月正式发布。
图3：ieee 802.3bs 400ge 标准关键里程碑如下表所见，400g已实现全场景的标准支持，包括100m、500m、2km和长距80km。
50g vs 100g服务器：100g服务器将会成为主流
图4：分析师机构对网卡和服务器的发货趋势预测根据分析师机构crehan的预测，截止2019年，50g和100g网卡都已经启动发货。25g网卡的下一代升级选择上，整个产业在2018和2019年存在着摇摆。2019年50g和100g服务器发货量产生了逆转，但2020年后100g服务器的势头全面超越了50g服务器，产业又开始对100g服务器充满信心。
从cpu芯片来看，两家主流厂商i厂和a厂都陆续推出了新的产品路标。i厂支持pcie 4.0的芯片将于2020年q3推出，主流i/o达到50g，高端应用时io达到100g/200g。两家巨头预计将在2021年h1分别推出支持pcie5.0的芯片，再次将主流i/o提高到100g，高端应用时io可达到400g【1】。
因此，cpu芯片节奏和服务器发货预测均显示出50g昙花一现，100g服务器正快速成为主流。
200g vs 400g光模块：400g成本更优，产业更成熟
数据中心接入服务器从25g向100g演进，那么当前的100g互联网络应该选择200g还是400g呢?
从上表可以看出，当数据中心从10g服务器演进到25g，网络互联从40g升级到100g，网络带宽增长一倍，但互联成本、功耗却保持不变，即gbit互联成本与功耗下降一半。所以100ge取代40ge成为25ge时代的主流网络互联方案。
200ge和400ge光模块与以往有点不同。传统光模块采用nrz(non-return-to-zero)的信号传输技术，采用高、低两种信号电平表示数字逻辑信号的0、1，每个时钟周期可以传输1bit的逻辑信息。而200g和400g光模块皆采用了高阶调制技术——pam4(pulse amplitude modulation 4四阶脉冲幅度调制)。pam4信号采用4个不同的信号电平进行信号传输，每个时钟周期可以传输2bit的逻辑信息，即00、01、10、11。
因此，在同样波特率条件下，pam4信号比特速率是nrz信号的2倍，传输效率提高一倍，有效降低gbit成本。从光模块构成看，200g和400g模块都是采用4-lane的主流架构，所以模块设计成本、功耗趋同。
因为400g模块的带宽是200g的两倍，所以gbit成本和功耗是200g的一半。
另一方面，模块成本除了架构设计，也取决于规模上量的规模。根据第三方咨询公司omdia (原ovum)的发货数据， 对top8供应商当前在200g、400g模块的布局梳理如下。
如上图所示，200g的模块种类只有100m sr4和2km fr4两种，其中100m sr4只有两家供应商。反观400g的模块种类达到了5种，top8厂商皆对100m、500m和2km模块进行了布局。400g的产业成熟度远胜于200g，客户的选择也更为丰富。
这一分析结果也进一步说明了由于pam4技术的引入，存在成本和功耗的技术代价。对在成本、功耗敏感的数据中心网络领域，产业迫切期望跨过200g迈入400g来吸纳这个代价。采用同样技术和成本构成的400g在演进方面更具竞争力。
小结：400g接档势头明显，200g一代或将跳过
数据中心网络是服务于业务的存在。从业务驱动上看，高速增长的数字化建设将推动100g服务器在2020年快速起量，并成为主流。从成本上看，由于数据中心光器件成本占整个数据中心网络设备成本的一半以上，由于pam4技术的引入，400g光器件单bit成本比200g光模块更具优势，光模块部署成本将直接带动整个整体建网成本的下降。
从总体上看，400g接档势头明显，200g代际或成为临时过渡或被直接跳过。
那么，400ge的数据中心组网架构应该如何演进呢?
400g组网形态：高密400g全盒仍在路上
交换机作为数据中心服务器的接入与互联设备，容量随服务器的io增长而增长，核心部件转发芯片的交换容量仍然延续着每一代翻一番的节奏。为联接的众多服务器提供大带宽的连通性，转发芯片容量翻番的挑战比起网卡容量翻番难度大很多。
如上图所示，半导体工艺的ppa(performance、power、area)收益越来越不明显。其中，芯片工作时钟频率影响到芯片线速字节性能(performance)，但半导体工艺每代时钟性能仅提升20%，因此需要增加更多逻辑(area)与功耗(power)来提升performance。转发芯片的面积不断增大，功耗也随之上升最终将遭遇功耗瓶颈，需要更先进的半导体工艺获取合理的功耗指标。
以典型的128口100ge高密盒式交换机为例，采用12.8t芯片16nm工艺，芯片功耗约350w，含100g光模块的整机大功耗1998瓦。预计未来25.6t 128*200g整机大功耗3000瓦。设备的整机功耗与芯片单点散热能力越来越高。如此大的功耗，对网络设备的工程设计能力(如散热等)提出了极大的挑战。
如果400g单网络节点，期望获得同100g网络一样的128个端口密度，则要求转发芯片性达到51.2t。如果未来面世的51.2t芯片仍然使用7nm工艺技术，则预估芯片功耗或可高达1000w，这个数字对于盒式设备，按照当前散热工艺基本不可实现。
因此，使用51.2t转发芯片构建高密128端口400g盒式交换设备，严重依赖于5nm或3nm芯片技术的升级，将转发芯片功耗降低到900w以下。但如果使用5nm或3nm芯片工艺，芯片能够量产交付时间预计到2023年了。
400g已经到来，400g框盒是当前好选择
可支撑高密400g的交换芯片(51.2t)产品商用交付节奏偏晚，在目前可获得的条件下，网络设备面临三个选择：
方案一，高密200g盒式：使用25.6t芯片提供128 x 200g端口。 方案二，低密400g盒式：使用25.6t芯片提供64 x 400g端口。 方案三，高密400g框式：通过多芯片叠加实现更高密的400g端口，提供400g框式设备，满足128 x 400g甚至更高端口密度。 高密200g盒式：错失400g先机
服务器100g必将快速成为主流，400g光连接成本最优，整个产业的版图中目前唯一缺失的是尚不成熟51.2g(128*400g)的转发芯片。这个的短暂缺失的确让那些已经部署100g全盒架构的企业犹豫不决，开始转向考虑200g。。但是选择了200g，意味放弃了向400g直接演进的最短路线，导致在200g上重复投资;同时由于数据中心网络的建设成本中光互联成本占据了一半以上，那么200g的选择将错过第一时间拥抱400g技术红利的契机。
低密400g盒式：服务器集群规模缩小3/4
使用64x400g的盒式设备形态进行组网，那么由于t2层设备的端口密度较100g网络架构中的128口密度减少一半，则pod内接入服务器的数量也会减少一半。同时， t3也使用64x400g的网络设备，则服务器数量会再次减半，导致整个服务器集群规模缩减至原有的1/4。纵观数据中心网络发展，存在一个朴素的基本原则：在保证既有服务器集群规模的前提下，进行速率升级。低密400g网络设备形态，将造成服务器集群规模的大幅缩水，较难被业务应用所接受。
高密400g框式：历史证明过的最优选择
我们不妨回顾下100g网络的演进历史。早期，云计算业务和计算资源虚拟化技术的发展推动了100g产业标准的成熟。25g接入服务器逐步得到了规模应用，100g光互联在市场快速起量，成本进一步下降。
当产业成熟宣告100g网络时代到来之时，高性能100g转发芯片存却在滞后，在100g网络建设初期不可获取(下图的阶段1)。行业最初采用了多芯片构建高密100g框式交换机的方案，一方面确保网络规模可达到预期，另一方面快速释放了100g网络的技术红利。
随着芯片性能的升级、6.4t和12.8t芯片的推出，网络从100g框式平滑过渡到了100g盒式阶段(下图的阶段2、3)。
400g网络也将上演类似的演进规律，在51.2t芯片能力尚不可获得的情况下，多芯片构建的400g框式交换机设备是当前更为明智的选择。
通过部署高密400g框式设备，可实现网络规模不变甚至进一步扩展，获得更低的单bit成本。目前业界主流厂商都已经发布了400g框式设备，将推动400g网络的商用进程。后续随着51.2t交换芯片的上市，400g框盒架构可向全盒平滑演进，最终成为400g时代数据中心网络的主流架构。


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