Co jsou technologie propojení datového centra

Vývoj optického propojení v moderních datových centrech

 

 

 

Vývoj optického propojení v měřítku - Out Data Centers

---

 

Optické vlákno se objevilo jako primární propojovací médium pro komunikaci datového centra a hraje nepostradatelnou roli při přenosu dat napříč různými měřítky. Přechod z mědi - řešení založených na optických propojeních představuje základní posun v tom, jak moderní datová centra přistupují k výzvám vysokorychlostní komunikace.

 

 

Přechod z mědi (vlevo) na optické vlákno (vpravo) má revoluci v datovém centru připojení datovým centrem umožněním vyšších rychlostí na delší vzdálenosti s nižší spotřebou energie.

 

Různé vznikající optické technologie se staly životaschopnými alternativami pro řešení technických výzev, kterým čelí sítě během horizontálního škálování, což výrazně zlepšuje výkon a efektivitu velkého nasazení datového centra -.

 

Budoucnost Technologie propojení datových center zahrnuje komplexní integraci transceiverů pro multiplexování vlnových délek (WDM) jako modulárních stavebních bloků v infrastruktuře datového centra. V pokročilých architekturách jsou tradiční paralelní optické transceivery spojující lusky a propojení lusků s přepínači jádra nahrazeny integrovanými transceivery WDM pracujících při rychlostech 40 g, 100 g a 400 g.

 

 

Vývoj rychlostí propojení datového centra

 

Tento technologický vývoj umožňuje agregaci všech elektrických kanálů se stejným cílem pomocí jediného vlákna, což dramaticky snižuje složitost infrastruktury vláken při zachování vysoké kapacity šířky pásma. Pro optimalizaci spotřeby energie v těchto pokročilých architekturách může být šířka pásma propojení mezi POD dynamicky upravena tak, aby odpovídala požadovaným požadavkům na šířku pásma sítě. Tento adaptivní přístup k alokaci šířky pásma představuje významný pokrok v technologiích propojení datových center, který umožňuje efektivnější využití zdrojů a snižuje provozní náklady.

 

 

Vysoká - Rychlost optických technologií a komponent

---

 

VCSEL, DFB a Silicon Photonics Innovations

 

Vývoj vysokých - Optických komponent rychlosti byl nápomocný při rozvíjení technologií propojení datových center. Nízká - Power, nízká - náklady na lasery s vertikálním povrchem (VCSELS) spojené s multimodovým vláknem (MMF) hrály klíčovou roli při umožnění rychlosti komunikace 10 GB/s v datových centrech.

 

Technologie	Rychlost	Vzdálenost	Spotřeba energie	Náklady
VCSEL + MMF	Až 25 GB/S	Až 100 metrů	Nízký	Nízký
DFB + SMF	Až 100 GB/S	Až 2 km	Střední	Střední
Křemíková fotonika	Až 400 GB/S	Až 10 km	Low - médium	Klesající
Koherentní optika	400G+	10 km+	Vyšší	Vyšší

 

Zatímco došlo k významnému pokroku ve výrobě vyšší - rychlostní vcsely pomocí alternativních materiálů, dosažení rychlosti výrazně přesahující 10 GB/s při zachování spolehlivosti a výnosu zůstává značnou výzvou.

 

 

Omezení tradiční technologie VCSEL se projeví při zvažování vzdálenosti - omezení šířky pásma uložená modální disperzí. Při datové rychlosti 10 GB/S maximální komunikační vzdálenost nedosahuje pokrytí celých zařízení datových center a tento rozsah pokrytí rychle klesá s rostoucími rychlostmi dat. K překonání těchto omezení a dosažení rozsahu pokrytí přesahujících 300 metrů při rychlostech 10 GB/s datová centra stále více přijala silnější, ale dražší distribuovanou zpětnou vazbu (DFB) lasery spárované s jednorázovým vláknem - (SMF).

 

Jak průmysl tlačí rychlosti kanálu z 10 GB/s na 25 GB/s a dále, v DFB laserových konstrukcích se používají nové kvartérní materiály, jako jsou Ingaalas/INP, za účelem poskytnutí vynikajícího teplotního výkonu při zvýšených rychlostech. Inovativní laserové struktury DFB, včetně krátkých návrhů dutin a čoček - -} - emitujících konfigurace, byly ověřeny tak, aby nabízely vyšší šířku pásma zařízení a užší spektrální šířku ve srovnání s VCSELS.

 

Silicon Photonics se objevila jako transformativní technologie při řešení energetické účinnosti a nákladů spojených s tradičním III - v složeným polovodičovým optickým transceiverům. Navzdory nepřímému bandgapu Siliconu omezující jeho účinnost jako polovodičového laserového materiálu nabízí vynikající tepelnou vodivost, průhlednost tradičních telekomunikačních vlnových délek a nízký šum, když se používá pro násobení laviny v důsledku vysoké míry srážky elektronů/otvorů.

 

 

Nedávné průlomy v silikonové fotonice zahrnují vysokou - efektivitu germanium fotodetektorů, vysoký - rychlostní křemíkový modulátory s minimální spotřebou energie a vývoj laserového laseru v germaniu/křemíku. Těsná integrace elektroniky a fotonika umožněná těmito technologiemi umožňuje vyšší šířku pásma při nižší úrovni spotřeby energie a umístění silikonové fotoniky jako klíčového aktivátoru ke zlepšení flexibility datového centra, energetické účinnosti a snižování nákladů.

 

 

Technologie multiplexování pro škálování šířky pásma

---

 

Multiplexování vesmírné divize

 

Implementace technik multiplexování je nezbytná pro škálování šířky pásma propojení v moderních technologiích propojení datových center. Multiplexování kosmické divize (SDM) a multiplexování divize vlnových délek (WDM) účinně využívají paralelismus vlastní počítačovým architekturám a přepínání čipů, což z nich činí dvě nejrozšířenější technologie multiplexování v prostředích datového centra.

 

Porovnání multiplexování technik

 

Nejjednodušší přístup ke zvýšení šířky pásma přes SDM zahrnuje věnování jednotlivých vláken každému kanálu, s laserovým a fotodetektorem rozmístěným v obou koncových bodech. Paralelní optické transceivery využívající konektory stuh a MPO byly široce nasazeny v datovém centru a vysokých - výpočetních prostředích výkonu.

 

Kromě tradičních implementací kabelů paralelních pásů, technologie Multi - Core Fiber (MCF) původně vyvinutá pro dlouhé - Vzdálenost telekomunikací získala pozornost v aplikacích datových center. Technologie MCF umožňuje více jádrů sdílet jedno opláštění v rámci jednoho vlákna a pomocí mřížkových vazeb může být MCF přímo připojena k laserovým a fotodetektorovým poli pomocí konvenčních LC konektorů. Tento přístup významně zlepšuje hustotu propojení tím, že umožňuje více jader (a tedy větší šířky pásma) v rámci jednoho kabelu.

 

Multiplexování dělení vlnové délky

 

Technologie WDM, která byla v posledních desetiletích rozsáhle nasazena v Metro a dlouhých - přenosových sítích, se nyní vyvíjí, aby se zabývala jedinečnými požadavky krátkých - datových center pro vzájemné propojení. Přijetí WDM v prostředích datových center je poháněno nutností snížit režii kabeláže a zároveň neustále zvyšovat šířku pásma propojení.

 

 

Implementace WDM v technologiích propojení datového centra musí řešit několik kritických úvah:

 

Úvahy o infrastruktuře vlákna

---

 

Volba mezi jednotlivým - Mode Fiber (SMF) a Multimode Fiber (MMF) představuje kritické rozhodnutí při implementaci technologií propojení datového centra. Zatímco MMF - propojení založené na tradičně dominovaly Rack - až - Komunikaci s 10g liniové sazby v důsledku nízkých nákladů na transceivery, omezení MMF z hlediska šířky pásma a dosahu přibližně za několik set metrů) vedly k zvýšeným adopci {7 { kratší vzdálenosti.

 

Porovnání výkonu typu vlákna

 

Technologie SMF nabízí několik přesvědčivých výhod pro nasazení datových center. Jako zralá, nízká - nákladová komerční technologie s jednoduchou strukturou, SMF byla v telekomunikačním průmyslu využívána po celá desetiletí. Jeden SMF může podporovat desítky až stovky terabitů za sekundu šířky pásma prostřednictvím technologie WDM, kde více párů transceiveru pracuje na různých vlnových délkách ve stejném vláknu.

 

 

Výhody propojovacích technologií založených na SMF -} se stále více zřejmé, protože datová centra měřítko od 10GE do 40G, 100GE a 400GE. Implementace SMF poskytují významné úspory nákladů na kabely a snižování objemu v generacích architektury sítě a nabízejí výhody v kapitálových i provozních výdajích.

 

Škálovatelnost šířky pásma propojení je velmi zvýšena s SMF, protože rychlost kanálu vlnové délky lze zvýšit spíše ve stejném vláknu než vyžadovat další paralelní vlákna jako v propojení MMF. Maximální rozsah propojení je také výrazně prodloužen při snižování požadavků na počet vláken a náplasti panelu.

 

Energy - Proporcionální optické propojení

---

 

Tradiční hierarchické sítě datového centra spotřebovaly relativně málo výkonu ve srovnání se servery v důsledku konvergence s vysokou šířkou pásma v každé vrstvě a nízkým rychlostem využití serveru. Avšak v měřítku - Out síťové architektury však výrazné zvýšení šířky pásma a zlepšené využití serveru změnilo spotřebu sítě z méně než 12% na významnou část celkové spotřeby energie v datovém centru.

 

Distribuce energie datového centra

 

Kromě nasazení nízkého - Power Optical Transceivers lze účinnost sítě dále zlepšit tím, že spotřeba energie v komunikaci je úměrná množství přenášených dat. Modern Data Center Interconnect Technologies to umožňují prostřednictvím schopností dynamického rozsahu jak při doručování napájení, tak šířky pásma.

 

Optické propojení a jejich přidružené vysoké - obvody serializátoru/deserializer (Serdes) vykazují velké dynamické rozsahy v síle a šířce pásma. Komerční přepínací čipy mohou ručně upravit datové rychlosti propojení na více kanálech, přičemž každý kanál je schopen pracovat při rychlostech až 10 GB/s. Tato flexibilita umožňuje dynamický rozsah 64% ve spotřebě energie a 16 × ve výkonu, což umožňuje aktivaci a provozování méně kanálů při nižších datových rychlostech, aby se snížila spotřeba energie optického spojení.

Protokoly InfiniBand i Ethernet podporují konfiguraci propojení při určených rychlostech a šířkách, přičemž doba reaktivace propojení se pohybuje od nanosekund po mikrosekundy. Když se míra spojení změní mezi 10 GB/s, 20 GB/s a 40 GB/s se všemi čtyřmi kanály, čip jednoduše upraví šířku pásma přijímacích hodinových dat (CDR) a Re - zamkne CDR. Protože většina moderních implementací Serdes používá digitální CDR v přijímací cestě, proces zamykání pro různé datové rychlosti je rychlý, obvykle dokončuje do 50 nanosekund za normálních podmínek a 100 nanosekundy v nejhorším -.

 

 

Pokročilá modulace a zpracování signálu

---

 

Zatímco multiplexování dělení prostoru a vlnové délky představuje primární přístupy pro škálování pásma v technologiích propojení datových center, další techniky, jako je optická ortogonální frekvenční dělení multiplexování (o- OFDM) a více -} úroveň modulací nebo schopnost modulační formats. Tyto metody však vyžadují moduly konverze rychlosti pro kódování signálu, spolu s ASIC čipy pro zpracování digitálního signálu (DSP) a analogové - na - digitální/digitální - na - analogové konvertory, což může být nákladné, které mohou být náklady na datové středy pro datové středové konvertory.

 

 

Obchod - Offs mezi spektrální účinností, spotřebou energie, rozmanitostí cest a složitostí kabeláže nadále ovlivňuje návrh technologií propojení datových center. U stavebních sítí uvnitř - jsou žádoucí topologie sítě s bohatým připojením, což umožňuje určité oběti ve spektrální účinnosti k dosažení nižší spotřeby energie, snížených nákladů na vysílač a bohatší síťové struktury. Při stavebních sítích s vyšší agregací nebo ve měničských vrstvách nebo v inter - však je šířka pásma soustředěna na bod - na - bodové odkazy a nasazení tmavých vláken je drahé, multiplexní vlnové délky (DWDM) s vyšší účinností spektrálních účinností se stává upřednostňovaným řešením.

 

 

Výzvy integrace a balení

---

 

Úspěšné nasazení dalšího - Generation Data Center InterConnect Technologies do značné míry závisí na překonání různých problémů s balením a integrací. Jak se zvyšuje míra vnitřní komunikace Rack - nad 10 GB/s, tradiční měděné kabely jsou nahrazeny optickými komponenty v důsledku objemné povahy, vysoké spotřeby energie a významné ztráty pasivních a aktivních měděných kabelů při vysokých datových rychlostech, což omezuje jejich použití na rozsahy několika metrů.

 

 

Přijetí IC - Typ Optical Packaging Solutions, jako je například technologie Light Peak, slibuje, že revolucionizujete připojení datového centra prostřednictvím nízkých - náklady, krátké - optická zařízení. V nadcházejících letech budou svědky komercializace karet síťového rozhraní (NICS) s nízkými - optickými rozhraními. Přepínání čipů navíc zahrnuje nativní podporu PHY pro 10g sériové rozhraní, což dále sníží náklady a spotřebu energie.

 

Integrace fotoniky s elektronikou představuje kritický milník při rozvíjejících se technologiích propojení datových center. Těsná vazba mezi elektronickými a fotonickými komponenty umožňuje vyšší šířku pásma při nižší úrovni spotřeby energie, zatímco kompatibilní výrobní procesy CMOS - slibují snížení nákladů prostřednictvím úspor z rozsahu. Realizace těchto výhod však vyžaduje řešení četných výzev souvisejících s tepelným řízením, hustotou balení a výrobním výnosem.