Hva er Data Center Interconnect Technologies

Utviklingen av optisk sammenkobling i moderne datasentre

 

 

 

Evolusjonen av optisk sammenkobling i skala - ut datasentre

---

 

Optisk fiber har vist seg som det primære samtrafikkmediet for kommunikasjon av datasenter, og spiller en uunnværlig rolle i dataoverføring på tvers av forskjellige skalaer. Overgangen fra kobber - baserte løsninger til optiske sammenkoblinger representerer et grunnleggende skifte i hvordan moderne datasentre nærmer seg utfordringene med høy - hastighetskommunikasjon.

 

 

Overgangen fra kobber (venstre) til optisk fiber (til høyre) har revolusjonert tilkobling til datasenter ved å muliggjøre høyere hastigheter over lengre avstander med lavere strømforbruk.

 

Ulike nye optiske teknologier har blitt levedyktige alternativer for å takle de tekniske utfordringene som nettverk står overfor under horisontal skalering, noe som forbedrer ytelsen og effektiviteten til store - skalaer om datasenter.

 

Fremtiden for Data Center Interconnect Technologies omfatter en omfattende integrasjon av bølgelengde Division Multiplexing (WDM) transceivere som modulære byggesteiner innen datasenterinfrastrukturen. I avanserte arkitekturer blir tradisjonelle parallelle optiske transceivere som kobler pods og koblinger pods til kjernekreiser erstattet med integrerte WDM -transceivere som opererer med hastigheter på 40g, 100 g og 400g.

 

 

Evolution of Data Center sammenkoblingshastigheter

 

Denne teknologiske evolusjonen muliggjør aggregering av alle elektriske kanaler med samme destinasjon ved bruk av en enkelt fiber, og reduserer kompleksiteten i fiberinfrastrukturen dramatisk samtidig som den opprettholder høy båndbreddekapasitet. For å optimalisere strømforbruket i disse avanserte arkitekturene, kan sammenkoblingsbåndbredden mellom POD -er justeres dynamisk for å samsvare med de nødvendige nettverksbåndbreddekravene. Denne adaptive tilnærmingen til båndbreddallokering representerer en betydelig fremgang i datasenterets sammenkoblingsteknologier, noe som muliggjør mer effektiv ressursutnyttelse og reduserer driftskostnadene.

 

 

Høy - hastighetsoptiske teknologier og komponenter

---

 

VCSEL, DFB og Silicon Photonics Innovations

 

Utviklingen av høy - hastighetsoptiske komponenter har vært med på å fremme datasenterets interconnect -teknologier. Lav - kraft, lav - Kostnad Vertikal hulrom Surface Emitting Lasers (VCSELS) kombinert med multimodefiber (MMF) har spilt en avgjørende rolle i å muliggjøre 10 GB/s kommunikasjonshastigheter innen datasentre.

 

Teknologi	Fart	Avstand	Strømforbruk	Koste
VCSEL + MMF	Opptil 25 GB/s	Opptil 100 meter	Lav	Lav
DFB + SMF	Opptil 100 GB/s	Opptil 2 km	Medium	Medium
Silisiumfotonikk	Opptil 400 GB/s	Opptil 10 km	Lav - medium	Avtar
Koherent optikk	400G+	10 km+	Høyere	Høyere

 

Selv om det er gjort betydelige fremskritt med å produsere høyere - hastighet VCSEL ved bruk av alternative materialer, er det fortsatt en betydelig utfordring å oppnå hastigheter betydelig over 10 GB/s samtidig som det opprettholder påliteligheten og avkastningen.

 

 

Begrensningene i tradisjonell VCSEL -teknologi blir tydelige når man vurderer avstanden - båndbredde produktbegrensninger pålagt ved modal spredning. Ved 10 GB/s datahastigheter faller den maksimale kommunikasjonsavstanden under å dekke hele datasenterfasilitetene, og dette dekningsområdet reduseres raskt etter hvert som datahastighetene øker. For å overvinne disse begrensningene og oppnå dekningsområder som overstiger 300 meter med 10 GB/s hastigheter, har datasentre i økende grad tatt i bruk kraftigere, men likevel dyrere distribuert tilbakemelding (DFB) lasere parret med enkelt - modus fiber (SMF).

 

Når industrien skyver kanalhastigheter fra 10 GB/s til 25 GB/s og utover, brukes nye kvartære materialer som Ingaalas/INP i DFB -laserdesign for å gi overlegen høy - temperaturytelse med forhøyede hastigheter. Innovative DFB -laserstrukturer, inkludert korte - hulromsdesign og objektiv - integrert overflate - som sender ut konfigurasjoner, har blitt validert for å tilby høyere enhetsbåndbredde og smalere spektral bredde sammenlignet med VCSELS.

 

Silicon Photonics har dukket opp som en transformativ teknologi for å adressere energieffektiviteten og kostnadsutfordringene forbundet med tradisjonelle III - v sammensatt halvleder optiske transceivere. Til tross for silisiums indirekte båndgap som begrenser effektiviteten som halvlederlasermateriale, tilbyr det utmerket termisk ledningsevne, gjennomsiktighet ved tradisjonell telekommunikasjonsbølgelengder og lave støyegenskaper når de brukes til snøskred multiplikasjon på grunn av høy elektron/hull -kollisjonsioniseringshastighet.

 

 

Nyere gjennombrudd i silisiumfotonikk inkluderer høy - Effektivitet Germanium -fotodetektorer, High - hastighetssilisiummodulatorer med minimal bytting av energiforbruk, og Germanium/Silicon Laser Developments. Den stramme integrasjonen av elektronikk og fotonikk aktivert av disse teknologiene muliggjør høyere båndbredde ved lavere strømforbruksnivå, plassering av silisiumfotonikk som en nøkkelaktivering for å forbedre datasenterets fleksibilitet, energieffektivitet og kostnadsreduksjon.

 

 

Multiplexing teknologier for skalering av båndbredde

---

 

Space Division Multiplexing

 

Implementering av multiplexing -teknikker er avgjørende for å skalere båndbredde for samtrafikk i moderne datasenter sammenkoblingsteknologier. Space Division Multiplexing (SDM) og bølgelengde Division Multiplexing (WDM) utnytter effektivt parallellismen som ligger i datamaskinarkitekturer og bytter brikker, noe som gjør dem til de to mest distribuerte multiplexing -teknologiene i datasentermiljøer.

 

Sammenligning av multiplexing teknikker

 

Den enkleste tilnærmingen til å øke båndbredden gjennom SDM innebærer å dedikere individuelle fibre til hver kanal, med laser- og fotodetektorarrayer distribuert på begge endepunktene. Parallelle optiske transceivere som bruker båndfiber og MPO -kontakter har blitt mye distribuert i datasenter og høye - ytelsesdatabutikkmiljøer.

 

Utover tradisjonelle parallelle båndkabelimplementeringer, har multi - kjernefiber (MCF) -teknologi opprinnelig utviklet for Long - avstandstelekommunikasjon fått oppmerksomhet i datasenterapplikasjoner. MCF -teknologi gjør det mulig for flere kjerner å dele en enkelt kledning i en enkelt fiber, og gjennom bruk av ristkoblinger kan MCF kobles direkte til laser- og fotodetektorarrays ved bruk av konvensjonelle LC -kontakter. Denne tilnærmingen forbedrer sammenkoblingstettheten betydelig ved å muliggjøre flere kjerner (og dermed mer båndbredde) i en enkelt kabel.

 

Multiplexing av bølgelengde Division

 

WDM -teknologi, som har blitt mye distribuert i Metro og Long - transmisjonsnettverk de siste tiårene, utvikler seg nå for å imøtekomme de unike kravene til Short - Distance Data Center Interconnect Technologies. Vedtakelsen av WDM i datasentermiljøer er drevet av behovet for å redusere kabling overhead mens du kontinuerlig øker koblingsbåndbredden.

 

 

Implementeringen av WDM i datasenter -samtrafikksteknologier må ta for seg flere kritiske hensyn:

 

Fiberinfrastrukturhensyn

---

 

Valget mellom single - modus fiber (SMF) og multimodefiber (MMF) representerer en kritisk beslutning i implementering av datasenter -interconnect -teknologier. While MMF-based interconnects have traditionally dominated rack-to-rack communications at 10G line rates due to low transceiver costs, the limitations of MMF in terms of bandwidth and reach (approximately 10 Gb/s over a few hundred meters) have led to increased adoption of SMF-based interconnects Selv for kortere avstander.

 

Sammenligning av fibertype ytelse

 

SMF -teknologi gir flere overbevisende fordeler for datasenterutplasseringer. Som en moden, lav - kostnads ​​kommersiell teknologi med en enkel struktur, har SMF blitt brukt i telekommunikasjonsindustrien i flere tiår. En enkelt SMF kan støtte titalls til hundrevis av terabits per sekund av båndbredde gjennom WDM -teknologi, der flere senderparer opererer med forskjellige bølgelengder i samme fiber.

 

 

Fordelene med SMF - baserte datasenter -interconnect -teknologier blir stadig mer synlige etter hvert som datasentre skalerer fra 10G til 40GE, 100GE og 400GE hastigheter. SMF -implementeringer gir betydelige kabelkostnadsbesparelser og volumreduksjon på tvers av nettverksarkitekturgenerasjoner, og tilbyr fordeler i både kapital og driftsutgifter.

 

Skalabiliteten til båndbredde for sammenkobling av sammenkobling forbedres kraftig med SMF, ettersom bølgelengdekanalhastigheter kan økes i samme fiber i stedet for å kreve ytterligere parallelle fibre som i MMF -sammenkoblinger. Det maksimale sammenkoblingsområdet er også betydelig utvidet samtidig som det reduserer fibertallet og kravene til lapppanel.

 

Energi - proporsjonale optiske sammenkoblinger

---

 

Tradisjonelle hierarkiske datasenternettverk konsumerte relativt lite strøm sammenlignet med servere på grunn av høy båndbreddekonvergens ved hvert lag og lave serverutnyttelsesgrad. Imidlertid, i skala - ut nettverksarkitekturer, har den betydelige økningen i biseksjonsbåndbredde og forbedret serverutnyttelse transformert nettverkskonsum fra mindre enn 12% til en betydelig del av det totale strømforbruket for datasenter.

 

Datasenterets strømfordeling

 

Utover distribusjon av lav - strømoptiske transceivere, kan nettverkseffektiviteten forbedres ytterligere ved å gjøre kommunikasjonsenergiforbruk proporsjonalt med mengden overførte data. Moderne Data Center Interconnect Technologies muliggjør dette gjennom dynamiske områdefunksjoner i både strøm- og båndbreddelevering.

 

Optiske sammenkoblinger og deres tilknyttede høye - Speed ​​Serializer/Deserializer (Serdes) kretser viser store dynamiske områder i kraft og båndbredde. Kommersielle koblingsbrikker kan manuelt justere koblingsdatahastigheter over flere kanaler, med hver kanal som kan operere med hastigheter opp til 10 GB/s. Denne fleksibiliteten muliggjør et dynamisk område på 64% i strømforbruket og 16 × i ytelse, slik at færre kanaler kan aktiveres og opereres med lavere datahastigheter for å redusere strømforbruket for optisk kobling.

Både Infiniband- og Ethernet -protokoller støtter koblingskonfigurasjon i spesifiserte hastigheter og bredder, med koblingsreaktiveringstider som spenner fra nanosekunder til mikrosekunder. Når koblingshastigheter endres mellom 10 GB/s, 20 GB/s og 40 GB/s med alle fire kanaler som er aktive, justerer brikken ganske enkelt mottaksdata Recovery (CDR) båndbredde og re - låser CDR. Siden de fleste moderne Serdes -implementeringer bruker digital CDR i mottaksbanen, er låseprosessen for forskjellige datahastigheter rask, og fullfører vanligvis innen 50 nanosekunder under normale forhold og 100 nanosekunder i verste - case -scenarier.

 

 

Avansert modulasjon og signalbehandling

---

 

Mens multiplexing av rom- og bølgelengde -divisjon representerer de primære tilnærmingene for båndbreddeskalering i datasenter -interconnect -teknologier, andre teknikker som optisk ortogonal frekvensdivisjon multiplexing (o - OFDM) og multi -}}}}}}}} -nivå eller avansert modulasjonsformat. Imidlertid krever disse metodene hastighetskonverteringsmoduler for signalkoding, sammen med ASIC -brikker for digital signalbehandling (DSP) og analog - til -} digital/digital - til - Analog konvertere, og resulterer for data for å være viktige for å ha en viktig strøm.

 

 

Handelen - Avs mellom spektral effektivitet, strømforbruk, banemangfold og kablingkompleksitet fortsetter å påvirke utformingen av datasenterets interconnect -teknologier. For intra - bygningsnettverk er nettingstopologier med rik tilkobling ønskelig, noe som lar noe offer i spektral effektivitet oppnå lavere strømforbruk, reduserte transceiver -kostnader og rikere nettverksstrukturer. Ved høyere aggregeringslag eller i inter - bygningsnettverk der båndbredde er konsentrert på punktet - til - punktkoblinger og mørk fiberdistribusjon er dyr, tett bølgelengdedelingsmultiplexing (DWDM) med høyere spektral effektivitet blir den preferdens løsning.

 

 

Integrering og emballasjeutfordringer

---

 

Den vellykkede distribusjonen av neste - Generering Data Center Interconnect Technologies avhenger sterkt av å overvinne forskjellige emballasje- og integrasjonsutfordringer. Ettersom rack - interne kommunikasjonshastigheter øker utover 10 GB/s, erstattes tradisjonelle kobberkabler av optiske komponenter på grunn av den klumpete naturen, høyt strømforbruk og betydelige tap av passive og aktive kobberkabler ved høye datahastigheter, og begrenset deres bruk til rekkevidde av bare noen få meter.

 

 

Vedtakelsen av IC - type optiske emballasjeløsninger, for eksempel Light Peak Technology, lover å revolusjonere datasentertilkobling gjennom lav - kostnad, kort - avstand optiske enheter. De kommende årene vil være vitne til kommersialiseringen av nettverksgrensesnittkort (NIC -er) med lav - koster n × 10g optiske grensesnitt. I tillegg vil byttesprang inkorporere naturlig PHY -støtte for 10G serielle grensesnitt, noe som reduserer kostnadene og strømforbruket ytterligere.

 

Integrasjonen av fotonikk med elektronikk representerer en kritisk milepæl for å fremme datasenterets interconnect -teknologier. Tett kobling mellom elektroniske og fotoniske komponenter muliggjør høyere båndbredde ved lavere strømforbruksnivå, mens CMOS - kompatible produksjonsprosesser lover å redusere kostnader gjennom stordriftsfordeler. Å realisere disse fordelene krever imidlertid å håndtere mange utfordringer relatert til termisk styring, emballasjetetthet og produksjonsutbytte.