阅读说明：本技术 超规模光子连接性解决方案 (Superscale photonic connectivity solutions ) 是由 特雷尔·莫里斯 丹尼尔·A·贝尔克拉姆 于 2019-08-06 设计创作，主要内容包括：本公开提供了使用现有服务器连接以采用超规模光子连接性的有效解决方案。本公开所描述的解决方案消除了机架顶交换机，并且利于服务器直接连接至中间排交换机的方式。按照本公开的装置包括初级收发器设备。初级服务器端收发器设备包括光子收发器和第一电发射器。所述装置进一步包括第一次级服务器端收发器设备，所述第一次级服务器端收发器设备包括第二电发射器。另外，第一电缆将所述初级服务器端收发器电耦接至所述第一次级服务器端收发器设备。本公开能够使用输入光纤连接和光子收发器以实现不同服务器上的两组电连接。(The present disclosure provides an efficient solution to use existing server connections to employ superscale photonic connectivity. The solution described in this disclosure eliminates the rack top switch and facilitates the way in which servers connect directly to the middle tier switch. An apparatus according to the present disclosure includes a primary transceiver device. The primary server-side transceiver device includes a photonic transceiver and a first electrical transmitter. The apparatus further comprises a first secondary server-side transceiver device comprising a second electrical transmitter. Additionally, a first cable electrically couples the primary server-side transceiver to the first secondary server-side transceiver device. The present disclosure can use an input fiber optic connection and a photonic transceiver to enable two sets of electrical connections on different servers.)

超规模光子连接性解决方案

背景技术

随着许多特别是服务器的计算机被部署在大规模(large-scale)或超规模(hyper-scale)数据中心应用中，使这些计算机在巨大规模(massive scale)下相互连接以及将这些计算机连接至外部世界的需求已经驱动了在数据中心网络拓扑和策略上的改变。

这些大型网络中的成本和性能的两个主驱动因素是网络拓扑及其之间的光子互连。趋势是利用许多低成本、低基数(low-radix)的交换机，这些交换机经由铜和光两者的许多连接而连接至其他低基数交换机。随着网络通过提高数据速率来提高效率，铜缆能够穿过的距离已经减小。其结果是，铜缆与光缆(optical cable)的比例已经趋于越来越倾向于光缆。

具体实施方式

不同的有利实施例的描述已经出于说明的目的被呈现，而不意图穷举或限制所公开形式的实施例。对于本领域技术人员，许多修改和变型将是显而易见的。进一步地，与其他有利实施例相比，不同的有利实施例可以提供不同的优点。选择并描述所选的一个或多个实施例是为了最好地解释实施例的原理、实际应用并且使本领域其他技术人员能够理解本公开的适于所设想的特定使用的各种修改的各个实施例。

在详细描述本公开之前，需要理解的是，除非另有明确说明，否则本公开不限于特定过程或物品，无论是否描述过。需要进一步理解的是，本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而不意图限制本公开的范围。

应注意的是，除非上下文另有明确指示，否则本文和权利要求书中所使用的单数形式“一个(a)”和“所述(the)”包括复数所指对象。

图1是按照本公开的一个实施例的包括一对中间排(MOR)交换机101和102的系统100的示意图，所述交换机直接地并且冗余地连接至机架内的服务器机架105。

MOR交换机101和102包括MOR兼容光发射器106和107。在一些实施例中，MOR兼容光发射器106和107应用稀疏波分复用(CWDM)光子(photonics)技术，并且可以具有一个或多个光连接。可替代地，MOR兼容光发射器可以具有均产生相同波长的束状(bundle)或带状(ribbon)的多个光缆。在所示出的实施例中，每个MOR兼容光发射器106和107可以具有每个方向24个电通道。通过采用四个波长的CWDM的实施方式，所有24个通道可以被部署在每个方向六个光纤(optical fiber)内。然而，本领域技术人员将意识到，本公开不限于此。MOR兼容光发射器106和107可以将光信号(signal)发射至附接至服务器的光子收发器装置。

图1进一步示出了容纳多个服务器114和115的服务器机架105，所述多个服务器114和115可以配备有双组服务器端QSFP兼容设备103和104。

此处，QSFP兼容的定义为，设备被配置为全部或部分地根据QSFP、QSFP-DD或OSFP规范操作。例如，QSFP兼容设备可以是QSFP形状尺寸(form-factor)兼容、QSFP电信令(signaling)兼容等，只要所述设备在本公开的精神和范围内操作。在一个实施例中，如果一组服务器端收发器设备符合QSFP、QSFP-DD或OSFP规范的形状尺寸和电信令要求，则该一组服务器端收发器设备是QSFP、QSFP-DD或OSFP兼容的。然而，这些服务器端收发器设备可以采用偏离于在QSFP、QSFP-DD或OSFP规范中的一个或多个所定义的缆线(cable)路由要求的缆线路由配置。

服务器端QSFP兼容设备103和104可以各自用于将光信号108和109转换为电信号110、111、112、113，所述电信号可以由连接至服务器114和115的网络接口卡(NIC)或其他网络适配器设备接收。这些设备的一个示例性连接是呈服务器外壳内部的卡的形式，但其他机制也是可以的，只要其不脱离本公开的精神和范围。服务器端QSFP兼容设备103和104将被物理地安装到服务器外壳114和115的QSFP端口内。在一些实施方式中，一对MOR交换机101、102和服务器端QSFP兼容设备103和104冗余地连接至在服务器机架105内的服务器。

此处，冗余被定义为系统的关键部件或功能的复制，旨在通常以备份(backup)或故障保护(fail-safe)的形式提高系统的可靠性，或旨在改善实际系统的性能。

应注意的是，尽管本示例示出了具有四种颜色并因此每个光连接产生四个电通道的CWDM系统，但是每个光连接可以产生更多或更少的电通道。这可以通过使用每个连接附加的光纤、使用每个光纤附加或更少的波长、增加每个光纤诸如PAM-4和PAM-8到PAM-N范围内的电平配置、或使用涉及相干、极化或其他技术的各种编码和解码方案来实现。

服务器机架105包含多个架子(或机架)116，服务器114和115放置于多个架子(或机架)中。特别需要注意的是，所示出的服务器系统可以是满足超规模系统需求的规模，所述超规模系统在服务器系统中采用几百个至上千个服务器。在一些实施例中，根据本公开的一个实施例的交换机采用50Gbps-400Gbps的速率。

有利的是，本公开能够使用输入光纤连接和光子收发器以实现不同服务器上的两组电连接。

图2是一对MOR兼容光收发器设备201和202的示意图，所述一对MOR兼容光收发器设备光耦接至QSFP兼容光子收发器组203和204，所述QSFP兼容光子收发器组物理地安装在一对冗余连接的服务器205和206中。MOR兼容光收发器201和202中各自具有多个光缆207和208。每个光缆207和208能够使用多个波长将多个光信号发射至服务器交换机。如前文所说明的，可以采用诸如使用利用单个波长的多个光纤的其他方式。在图2中，尽管示出为通过一个光缆207和208进行光信号的传输，但是每一个MOR兼容光收发器201和202具有并且可以使用多至六个光纤。本领域技术人员可以认识到本公开不限于此，因为MOR兼容光收发器201和202可以具有比图中所示的数量更多或更少的光端口。

光信号在QSFP兼容(或QSFP-DD兼容或OSFP兼容或任何其他工业标准接口)光子收发器组203和204处被接收。每个光缆207和208发射光信号。在一个实施例中，每个光缆207和208通过每个电缆两个光纤的方式在每个方向发射四种颜色的光。如此，光缆207和208中的每一个可以将四种颜色的光信号发射至QSFP兼容光子收发器组203和204。此外，缆线207内的单个光纤承载(每个方向)四种颜色的光并且每种颜色可以被转换为单个电信号。类似的，在相反方向上，单个光纤(未示出)可以发射四种颜色的光并且每种颜色可以被转换为单个电通道。

在一种实施方式中，每个光纤的数据速率是200Gbps，其被转换为使得数据速率为(每个方向)50Gbps的四个电通道。对于双组服务器端QSFP兼容设备，每个服务器端QSFP兼容设备具有(每个方向)两个电通道。

然而，在实施方式中，当每个MOR交换机的每个方向的两个光纤(每个光纤四种颜色的光)被采用为每个光纤的数据速率为200Gbps时，合计数据速率为400Gbps。电通道的总数为八，并且因此每个通道的数据速率为50Gbps。对于单个初级(primary)和次级(secondary)服务器端QSFP设备的配置，每个设备具有四个电通道，其合计数据速率为每个设备200Gbps。

类似地，在实施方式中，当每个MOR交换机的每个方向的四个光纤(每个光纤四种颜色的光)被采用为每种颜色的数据速率为25Gbps时，合计数据速率为每个光纤100Gbps。电通道的总数为十六，并且每个通道的数据速率为(每个方向)25Gbps。对于单个初级和次级服务器端四通道小型可插拔双密度(QSFP-DD)设备或八通道小型可插拔OSFP设备的配置，每个设备可以具有(每个方向)多至八个电通道。另外，如果每种颜色的数据速率为25Gbps，则每个设备的合计数据速率为每个设备200Gbps。本领域技术人员可以认识到每种光子通信方案和数据速率将具有结果不同的每个设备的合计数据速率。

一旦接收到光信号，QSFP兼容光子收发器组203和204可以将该光信号转换为电信号。如本公开中将讨论的，QSFP兼容光子收发器组包括初级服务器端QSFP兼容设备、QSFP-DD兼容设备、OSFP兼容设备或其他工业标准兼容设备以及至少一个次级服务器端QSFP兼容设备。所述次级服务器端QSFP兼容设备可以具有与初级服务器端QSFP兼容设备相同或可以不同的形状尺寸。初级服务器端QSFP兼容设备和次级服务器端QSFP兼容设备分别将经转换的电信号发射至冗余服务器205和206的网络接口卡218和221。双向传输通路209-216示出了冗余服务器205和206的QSFP收发器端口217、219、220、222之间的电信令。

本领域技术人员应认识到，QSFP收发器端口217、219、220、222具有经由四个数据引脚创建四个电通道的容量(capacity)。尽管图2示出了仅有两个数据引脚被使用，但本公开不限于此，因为其他实施方式可以采用所有(例如，四个)数据引脚的使用方式。例如，如果QSFP兼容光子收发器组203和204具有多路并行优化(multi-parallel optimal，MPO)连接器，则所述QSFP兼容光子收发器组能够将从多个光纤接收到的光信号转换为电信号。

图3是根据本公开的一个实施例的双组服务器端QSFP兼容设备300的示意图。如所示的，双组服务器端QSFP兼容设备300可以作用于单个光子连接和两组电连接以向服务器的网络接口卡发射数据或从服务器的网络接口卡接收数据。在本公开中，当所述双组服务器端QSFP兼容设备300指代作为单个功能单元的设备时，其可以指代QSFP兼容光子收发器组。此外，当所述双组服务器端QSFP兼容设备单独地指代子组件时，其可以指代初级服务器端QSFP兼容设备或次级服务器端QSFP兼容设备。

双组服务器端QSFP兼容设备300包括初级服务器端QSFP兼容设备301和次级服务器端QSFP兼容设备302。在本公开的一个实施例中，所述初级服务器端QSFP兼容设备301(例如，从MOR交换机)接收光信号，将光信号转换为电信号，并且将电信号的子集路由至所述次级服务器端QSFP兼容设备302。

初级服务器端QSFP兼容设备301包括光子收发器(未示出)，所述光子收发器可以转换光信号和电信号，并且将经转换的信号发射至MOR交换机或服务器或其他目的地。次级服务器端QSFP兼容设备302包括电发射器，因为电发射器将电信号发送到特别地是冗余服务器系统的服务器系统。相应地，由于所述双组服务器端QSFP兼容设备300使用单个光子收发器(初级服务器端QSFP兼容设备的组件)以将多组电信号发射至服务器系统内的不同服务器，由于每个服务器托架的硬件(例如，每个双组服务器端QSFP兼容设备的光子收发器)减少，采用本公开能够节省成本。

在所示的实施例中，初级服务器端QSFP兼容设备301包括具有光输入端口304和光输出端口305的双工(duplex)光连接以发送和接收光信号。应注意的是，可以使用适于更多数量的光纤的其他光子连接。例如，MPO连接器可以用于具有多于单个输入和输出光纤的并行光接口。

初级服务器端QSFP兼容设备301可以经由电缆将电信号路由至次级服务器端QSFP兼容设备302。在一种实施方式中，初级服务器端QSFP兼容设备301将经转换的电信号的近似一半路由至次级服务器端QSFP兼容设备302。所述初级服务器端QSFP兼容设备301和所述次级服务器端QSFP兼容设备302可以以串联的方式(in tandem)工作以采用服务器系统中的冗余。

如将在下文描述的，双组服务器端QSFP兼容设备300可以不限于单个初级服务器端QSFP兼容设备和单个次级服务器端QSFP兼容设备，而是可以包括单个初级服务器端QSFP兼容设备和多个次级服务器端QSFP兼容设备。另外，本公开不限于具有双工光连接的初级服务器端QSFP兼容设备，而是可以包括如将在下文描述的MPO连接器。

图4是根据本公开的一个实施例的初级QSFP兼容收发器设备400的示例性内部光子引擎。初级QSFP兼容光子收发器设备400包括全部设置在基板401(例如，PCB)上的电物理层402、链路和训练管理引擎403和光物理层404。另外，所述初级QSFP兼容光子收发器400包括一组光二极管405和一组垂直腔面发射激光器(VCSEL)。本领域技术人员将认识到，该示例性光子引擎可以被许多光子技术所替代，例如但不限于硅光子技术、CWDM技术、DWDM技术、PAM-4和PAM-8技术、或任何适于从单个输入光纤或光纤束提供多个电通道的光子技术。

图5是根据本公开的一个实施例的一组服务器端QSFP兼容设备500的示意图。所述一组服务器端QSFP兼容设备500包括初级服务器端QSFP兼容设备501和五个次级服务器端QSFP兼容设备502-506。在一个实施例中，初级服务器端QSFP兼容设备501包括双工光连接，所述双工光连接具有单个输入光纤512和单个输出光纤513以接收和发射光信号。这种配置对于采用许多波长的应用是有用的，这些应用诸如但不限于DWDM实施方式。可替代地，初级服务器端QSFP兼容设备501可以采用诸如MPO连接器的并行光连接器，以利于每个方向的多个光纤。每个次级服务器端QSFP兼容设备包括用于接收电信号的电气电路(electricalcircuit)、用于将电信号发送到服务器的发射器以及用于将电信号的一部分路由至另一次级服务器端QSFP兼容设备的电气电路。值得注意的是，这些次级信号路由可以包括重新驱动(re-drive)和延迟时间(ret-time)能力，或其可以仅仅将电信号递送至下一模块，而不进行信号调理。

一组服务器端QSFP兼容设备500显示了一种并行配置，即每个次级服务器端QSFP兼容设备接收从初级服务器端QSFP兼容设备路由出的光信号。如所示的，初级服务器端QSFP兼容设备501(经由缆线507)直接连接至次级服务器端QSFP兼容设备502，(经由缆线508)至次级服务器端QSFP兼容设备503，并且(经由缆线510)至次级服务器端QSFP兼容设备504。

值得注意地，次级服务器端QSFP兼容设备505(经由缆线511)连接至次级服务器端QSFP兼容设备504，而不是具有到初级服务器端QSFP兼容设备501的直接连接。类似地，次级服务器端QSFP兼容设备506(经由缆线509)连接至次级服务器端QSFP兼容设备503。

在一个实施例中，缆线507、508和510具有每个方向一束八个电信号对，而缆线509、511具有每个方向一束四个电信号对。在该实施例中，缆线510提供用于到次级服务器端QSFP兼容设备504和初级服务器端QSFP兼容设备501的电连接的每个方向四个信号对、以及用于到次级服务器端QSFP兼容设备505和初级服务器端QSFP兼容设备501的四个电连接的每个方向四个信号对。缆线510中的电信号被封装为在缆线511中的电信号一侧(alongside)。类似地，缆线508提供用于到次级服务器端QSFP兼容设备504的四个电连接的每个方向四个电信号对、以及用于次级服务器端QSFP兼容设备505的每个方向四个电信号对。在一个实施例中，缆线508中的每个方向四个信号对被封装为在缆线509中的电导线(wire)一侧。如果每一个服务器端QSFP兼容设备被使用至其满容量，则一组服务器端QSFP兼容设备500可以采用合计每个方向二十四个电通道。

在一个实施例中，当初级服务器端QSFP兼容设备501的输入光纤和输出光纤512和513被MPO连接取代时，每个方向六个光纤(每个光纤四种颜色的光)可以以每个光纤200Gbps的数据速率、1200Gbps的合计数据速率连接至每个MOR交换机。电通道总数为二十四，并且因此每个通道的数据速率为近似每个方向50Gbps。对于单个初级服务器端QSFP兼容设备和五个次级服务器端QSFP兼容设备的配置，每个服务器端QSFP兼容设备具有四个电通道，其合计数据速率为每个设备每个方向200Gbps。在该实施例中，所述一组服务器端QSFP兼容设备500最大化电连接容量。本领域技术人员应认识到的是，这只是示例性的，并且可以是其他组合(例如，每个方向每个通道50G的八个通道、每个方向每个通道100G的四个通道等)。

图6是根据本公开的一个实施例的混合QSFP兼容设备600的示意图，所述设备适于采用机架中的每个托架(或架子)三个服务器的硬件配置。混合QSFP兼容设备600适于被设计成连接每个服务器托架三个服务器的服务器系统。混合QSFP兼容设备600包括初级服务器端QSFP兼容设备601以将经由MPO连接器602接收的光信号转换为电信号并将该电信号经由位于初级服务器端QSFP兼容设备601的端部处的QSFP、QSFP-DD或OSFP连接器605发射至服务器。

初级服务器端QSFP兼容设备601包括从初级服务器端QSFP兼容设备601一侧以一定角度延伸出的电缆603和604。所述电缆603和604可以连接两个次级服务器端QSFP兼容设备(本图未示出)。初级服务器端QSFP兼容设备601经由缆线603和604将经转换的电信号路由至次级服务器端QSFP兼容设备或从次级服务器端QSFP兼容设备路由出(本图未示出)。在一个实施例中，初级服务器端QSFP兼容设备601可以经由缆线603和604将经转换的电信号的三分之一路由至每一个次级服务器端QSFP兼容设备。

图7A-7B是根据本公开的一个实施例的另一混合QSFP兼容设备700的示意图。混合QSFP兼容设备700适于被设计成连接每个托架三个服务器的服务器系统。初级服务器端QSFP兼容设备700可以将经由MPO连接器703接收的光信号转换为电信号并将该电信号经由位于初级服务器端QSFP兼容设备701的端部处的QSFP、QSFP-DD或OSFP连接器705发射至服务器。

初级服务器端QSFP兼容设备701包括以垂直于初级服务器端QSFP兼容设备701的角度延伸出的电缆702a和702b。所述电缆702a和702b可以连接两个次级服务器端QSFP兼容设备(本图未示出)。初级服务器端QSFP兼容设备701经由缆线702a和702b将经转换的电信号路由至次级服务器端QSFP兼容设备(本图未示出)。在一个实施例中，初级服务器端QSFP兼容设备701可以经由缆线702a和702b将经转换的电信号的三分之一路由至每一个次级服务器端QSFP兼容设备。

图7B示出了混合QSFP兼容设备700的侧视图。所述侧视图展示了缆线壳体704。所述缆线壳体提供用于使线成90度角连接，其更易于制造并且缩短了所需要的导线缆线的所需长度。缆线壳体704将缆线702a和702b暴露给初级服务器端QSFP兼容设备701内的电气电路。

图8是根据本公开的实施例的服务器系统800的示意图，其示出了MOR交换机到服务器和收发器到服务器的光连接和电连接。一对MOR交换机801和802可以将光信号发射至QSFP兼容收发器组814和815。从一对交换机801和802发射出的光信号812和813可以包括四种光学颜色的光，当其被转换为电信号时，代表四个电信号。

每个QSFP兼容光子收发器组具有初级服务器端QSFP兼容设备和两个次级服务器端QSFP兼容设备。例如，QSFP兼容光子收发器组814具有初级服务器端QSFP兼容设备804和两个次级服务器端QSFP兼容设备805和807。类似地，QSFP兼容光子收发器组815具有初级服务器端QSFP兼容设备803和两个次级服务器端QSFP兼容设备806和808。

在所示的实施例中，每个服务器端QSFP兼容设备经由QSFP端口816-821将四个电通道发送至服务器809-811。由于有六个服务器端QSFP兼容设备803-808，合计具有与服务器809-811的二十四个电连接，因此每个MOR交换机801和802采用每个方向具有四种颜色的光的三个光缆，通过每个缆线两个光纤的方式以在服务器侧提供二十四个电连接。

在实施方式中，当每个MOR交换机三个光纤(每个光纤每个方向四种颜色的光)被采用为(每个方向)400Gbps的数据速率时，每个QSFP兼容光子收发器组的合计数据速率为1200Gbps。电通道的总数(每个方向)为十二，并且因此每个通道的数据速率为100Gbps。对于单个初级服务器端QSFP兼容设备和单个次级服务器端QSFP兼容设备的配置，每个服务器端QSFP兼容设备具有每个设备(每个方向)的合计数据速率为400Gbps的四个电通道。在所示的实施例中，QSFP兼容光子收发器组采用QSFP连接器。

在不同的实施方式中，当每个MOR交换机六个光纤(每个光纤每个方向四种颜色的光)被采用为(每个方向)100Gbps的数据速率时，每个QSFP兼容光子收发器组的合计数据速率为600Gbps。电通道的总数(每个方向)为二十四，并且因此每个通道的数据速率为25Gbps。对于单个初级服务器端QSFP兼容设备和单个次级服务器端QSFP兼容设备的配置，每个设备具有每个设备(每个方向)的合计数据速率为200Gbps的八个电通道。当本实施方式具有多于每个设备四个电通道时，QSFP兼容光子收发器组采用QSFP-DD、OSFP或其他多通道连接器。

另外，可以以各种其他方式实施本公开。例如，QSFP兼容光子收发器组可以包括单个服务器端QSFP兼容设备和三个次级服务器端QSFP兼容设备。在实施方式中，当每个MOR交换机两个光纤(每个光纤每个方向四种颜色的光)被采用为(每个方向)400Gbps数据速率时，合计数据速率为(每个方向)800Gbps。另外，(每个方向)电通道的总数为八，并且因此(每个方向)每个通道的数据速率为100Gbps。另外，每个模块有两个电通道，具有每个模块200Gbps的合计数据速率。在该实施例中，可用的四个QSFP数据引脚中的两个被使用。

在另一实施方式中，当每个MOR交换机四个光纤(每个光纤每个方向四种颜色的光)被采用为(每个方向)200Gbps的数据速率时，合计数据速率为(每个方向)800Gbps。(每个方向)电通道的总数为十六，并且因此(每个方向)每个通道的数据速率为50Gbps。另外，每个模块有四个电通道，具有(每个方向)200Gbps的合计数据速率。

有利地，本公开能够使用输入光纤连接和光子收发器以实现在冗余服务器系统内的不同服务器的两组电连接。

尽管已经详细描述了本公开，但是应理解，可以进行各种改变、替代或更改而不脱离本公开的精神和范围。对应于本公开的特征的任何词语“可以(may)”或“可(can)”的使用表明一些示例包括所述特征，并且其他一些示例不包括所述特征，如在上下文中适当的给出。关于本公开的特征的任何词语“和”以及“或”的使用，表明示例能够包含所列出的特征的任何组合，如在上下文中适当的给出。

仅为了清楚起见而使用以“例如”或“即”为开头的短语或***语来提供示例。本公开不意图限于这些短语和***语所提供的示例。本公开的范围和理解可以包括未在这些短语和***语公开的某些示例。

尽管在本文中已详细描述了本申请的示例性实施例，但是应理解，可以以各种其他方式实施或采用创造性概念，权利要求旨在被解释为包括这些变型，除了受到现有技术限制之外。

贯穿本说明书所指代的“一实施例”或“实施例”意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本公开的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各处出现的短语“在一种实施例中”或“在一些实施例中”不一定全部指代相同的实施例。此外，可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合特定特征、结构或特性。

在上述说明书中，已经参考特定示例性实施例给出了详细描述。然而，显而易见的是，可以对特定示例性实施例进行各种修改和改变，而不脱离如权利要求书中阐述的本公开的更广泛的精神和范围。因此，说明书和附图应被视为说明性意义而非限制性意义。此外，实施例和其他示例性语言的上述使用不一定指代相同实施例或相同示例，而是可以指代不同和有区别的实施例以及可能相同的实施例。