3,2 Pb/s in tempo reale: cosa dice (e non dice) il record cinese a 24 core

Un consorzio cinese riferisce di aver trasmesso 3,2 petabit al secondo su una singola fibra a 24 core. Il test è avvenuto in tempo reale e in modalità bidirezionale, e il team lo definisce un record mondiale. Il lavoro è stato guidato dal National Key Laboratory of Optical Communication Technology and Networks di China Information and Communication Technologies Group (CICT), con Pengcheng Laboratory e il produttore di fibre FiberHome Fujikura. Il collegamento era costituito da 10,3 km di fibra multicore, con traffico in entrambe le direzioni contemporaneamente.

Più della velocità record, a dire qualcosa sono tre qualificatori: tempo reale, 10,3 km e bidirezionale. Insieme indicano che cosa la dimostrazione prova e che cosa lascia aperto.

01Che cosa è stato realizzato

La fibra multicore ospita più core di guida della luce all'interno di un unico mantello. In un'intervista del Global Times a un ricercatore di CICT, relativa al precedente risultato di 2,5 Pb/s, la fibra convenzionale era paragonata a una singola corsia e la fibra a 24 core a 24 corsie in un solo filamento. Il team sovrappone questa dimensione spaziale alla multiplazione a divisione di lunghezza d'onda. Ha combinato le bande S, C e L con la multiplazione a divisione di spazio (SDM), ottenendo migliaia di canali paralleli.

Il team ha fornito alcuni valori di velocità di linea. I suoi moduli ottici hanno funzionato a 400 Gb/s per lunghezza d'onda nella banda S e a 1,2 Tb/s per lunghezza d'onda nelle bande C e L. Secondo le notizie, la modulazione impiegava un probabilistic shaping di ordine elevato. Il probabilistic shaping regola la frequenza con cui viene usato ciascun punto della costellazione, in modo che il collegamento possa avvicinarsi alla capacità consentita dal rapporto segnale-rumore di ciascun canale. Alla banda S spetta una velocità inferiore, coerente con le sue condizioni di amplificazione e perdita, in genere più difficili. Nel materiale pubblico non ho trovato il piano completo dei canali, i tipi di amplificatori né i budget di potenza per core.

Il confronto proposto dal team è con la comune fibra monocore G.652. Secondo i ricercatori, 3,2 Pb/s equivalgono a 32 volte la capacità di tali sistemi, che con le bande C e L raggiungono tipicamente circa 100 Tb/s. Il conto torna: 32 × 100 Tb/s fa 3,2 Pb/s. Dividendo 3,2 Pb/s per 24 core si ottengono circa 133 Tb/s per core. È un calcolo mio, e presumibilmente include entrambe le direzioni. Il valore è leggermente superiore a quello del solo C+L per un sistema monocore, in linea con l'aggiunta dello spettro in banda S.

02Perché «tempo reale» è la parola chiave

Molti esperimenti di trasmissione da record acquisiscono le forme d'onda e le elaborano offline. I ricercatori registrano il segnale ricevuto e poi applicano in seguito un'elaborazione digitale del segnale (DSP) molto pesante su apparecchiature di laboratorio. L'elaborazione offline consente di usare algoritmi che nessun modulo commerciale potrebbe eseguire entro i propri limiti di potenza e latenza, per cui questi risultati mostrano ciò che la fisica permette. Questo risultato, invece, ha usato architetture hardware conformi ai requisiti commerciali in funzione in tempo reale.

Il funzionamento in tempo reale significa che all'interno di silicio di classe modulo avvengono le seguenti operazioni:

• Rivelazione coerente ed equalizzazione della dispersione cromatica e degli effetti di polarizzazione
• Recupero della portante
• Decodifica della correzione d'errore in avanti (FEC)
• Demapping del probabilistic shaping

Tutto questo avviene in modo continuo, entro un budget termico che un modulo pluggable o una line card possono tollerare. Il limite massimo è di solito inferiore ai valori ottenuti offline, e qui il divario è evidente. Secondo Tom's Hardware, risultati di laboratorio su fibre simili a 24 core hanno raggiunto fino a 5,29 Pb/s, ma senza citare un articolo scientifico di riferimento. Guardando oltre, gli esperimenti offline su altri tipi di fibra arrivano a valori molto più alti. NICT e i partner hanno riportato 22,9 Pb/s con una fibra a 38 core e 3 modi nel 2023. In quel caso era usato un ricevitore MIMO, un'architettura diversa da un semplice collegamento multicanale parallelo.

03Le parti difficili: diafonia ed eterogeneità delle bande

Le notizie indicano due ostacoli principali. Il primo è la diafonia tra core. Il secondo è soddisfare i requisiti diversi delle bande S, C e L.

La diafonia è la fuga di luce tra core adiacenti e cresce con la densità dei core e con la lunghezza d'onda, perché le lunghezze d'onda maggiori sono confinate meno strettamente. Una configurazione a 24 core è un compromesso tra l'integrazione di più core e il mantenimento del loro isolamento. Se la fuga è sufficientemente bassa, ogni core può essere trattato come un canale indipendente e decodificato con un DSP coerente standard. Così si evita la complessità dell'equalizzazione congiunta multicanale, difficile da realizzare in tempo reale. L'Asia-Pacific Fiber Optic Cable Industry Association ha appena pubblicato quella che definisce la prima norma internazionale per le fibre multicore monomodali a debole accoppiamento. Non ho visto la norma, ma il termine «debole accoppiamento» fa pensare a questa architettura a canali indipendenti. Secondo le notizie, il team ha usato tecniche di modulazione per limitare l'interferenza tra core, ma non è spiegato come.

Le tre bande costituiscono il secondo problema. Attenuazione della fibra, comportamento non lineare e guadagno degli amplificatori differiscono da una banda all'altra. L'amplificazione in banda S è meno matura di quella delle bande C e L, basate sull'erbio. I transceiver devono essere ottimizzati per ciascuna banda, il che è coerente con la velocità inferiore per lunghezza d'onda, 400 Gb/s, della banda S. La fibra multicore aggiunge un ulteriore onere: amplificatori e apparecchiature di test devono servire 24 core contemporaneamente.

04Distanza, verifiche e possibili applicazioni

Il collegamento del record è breve. Con 10,3 km, la distanza dice molto su dove la tecnologia approderebbe per prima. Questa portata è adatta alle interconnessioni di campus e data center, dove la posa della fibra è costosa, lo spazio nei condotti è limitato e la banda aggregata conta più della portata. Una dorsale o una tratta sottomarina sono un caso molto più difficile. Le lunghe distanze richiedono l'amplificazione in linea per ogni core, e i cavi sottomarini sono limitati dall'alimentazione elettrica. I cavi sottomarini sono in pratica limitati a circa 24 coppie di fibre, perché gli amplificatori sono alimentati da terra. La fibra multicore è un modo per aggirare questo limite, ma l'esperimento non dice nulla sulle tratte amplificate. Per confronto, secondo Hardware Busters, l'anno scorso NICT ha trasmesso 1,02 Pb/s su 1.808 km di fibra a 19 core: una portata molto maggiore a un terzo della velocità.

Valgono diverse avvertenze:

• La peer review è in corso. Non ho trovato un articolo tecnico primario né un comunicato con i dettagli sperimentali completi. Le fonti più dirette sono articoli in lingua cinese, notizie secondarie e un abstract di una conferenza precedente. Secondo le notizie, i risultati sono stati invitati come articolo al Journal of Lightwave Technology, sede in cui avverrà la verifica indipendente.
• Il «record» ha un ambito ristretto. Riguarda la trasmissione in tempo reale su fibra a 24 core, non la capacità delle fibre in generale.
• La tempistica è incerta. Le notizie indicano il precedente primato, 2,5 Pb/s, come ottenuto all'inizio di quest'anno. CICT ha annunciato a marzo la trasmissione bidirezionale in tempo reale di 2,5 Pb/s su fibra a 24 core. L'incremento è di circa il 28%, poiché 3,2 diviso 2,5 fa 1,28. Alcune testate lo descrivono come un guadagno «in meno di un anno», ma l'intervallo effettivo è probabilmente di pochi mesi.
• I confronti con il mondo consumer sono solo aritmetica. Le affermazioni sui 20.000 film in 4K al secondo e sui 3,2 milioni di abitazioni con connessione gigabit si limitano a riformulare la velocità. Non dicono nulla sulla possibilità di impiego.
• Il costo di installazione non è affrontato. Le notizie non forniscono cifre su connettori, giunzioni, costo degli amplificatori o resa produttiva dei cavi. Mancano anche i dati sulla potenza per bit.

Il risultato va letto come prova che la SDM multicore e la trasmissione S+C+L possono funzionare su hardware in tempo reale di classe modulo, su scala petabit e su brevi distanze. Non dimostra che questi collegamenti siano convenienti rispetto alla semplice accensione di più fibre monocore. Le prossime prove da attendere sono l'articolo su Lightwave Technology, una sperimentazione sul campo in condotti già posati e tratte più lunghe con amplificazione. La fibra installata sul campo deve affrontare invecchiamento, perdite di giunzione, vibrazioni, escursioni termiche e limiti di potenza ottica che una tratta di laboratorio evita.