Čo sú technológie pre prepojenie dátového centra

Vývoj optického prepojenia v moderných dátových centrách

 

 

 

Vývoj optického prepojenia v mierke - Dátové centrá

---

 

Optické vlákno sa ukázalo ako primárne prepojené médium pre komunikáciu s dátovými centrami, ktoré zohráva nevyhnutnú úlohu pri prenose údajov v rôznych mierkach. Prechod z meďnatého - riešenia na optické prepojenia predstavuje zásadný posun v tom, ako moderné dátové centrá približujú výzvy vysokej - rýchlostnej komunikácie.

 

 

Prechod z medi (vľavo) do optického vlákna (vpravo) má revolúciu v konektivite dátového centra tým, že umožňuje vyššie rýchlosti na väčšie vzdialenosti s nižšou spotrebou energie.

 

Rôzne vznikajúce optické technológie sa stali životaschopnými alternatívami na riešenie technických výziev, ktorým čelia siete počas horizontálneho škálovania, čo výrazne zlepšuje výkon a efektívnosť veľkých nasadení dátového centra v mierke.

 

Budúcnosť technológií prepojenia dátových centier zahŕňa komplexnú integráciu transcelexov multiplexovania vlnovej dĺžky (WDM) ako modulárne stavebné bloky v rámci infraštruktúry dátového centra. V pokročilých architektúrach sa tradičné paralelné optické transceivery spájajúce tobolky a prepojenie toboliek s jadrovými prepínačmi nahrádzajú integrovanými transceivermi WDM pracujúcimi pri rýchlostiach 40 g, 100 g a 400 g.

 

 

Vývoj rýchlosti prepojenia dátového centra

 

Tento technologický vývoj umožňuje agregáciu všetkých elektrických kanálov s rovnakým cieľom pomocou jediného vlákna, čo dramaticky znižuje zložitosť infraštruktúry vlákien pri zachovaní vysokej kapacity šírky pásma. Na optimalizáciu spotreby energie v týchto pokročilých architektúrach je možné dynamicky upraviť šírku pásma prepojenia medzi POD dynamicky tak, aby zodpovedala požadovaným požiadavkám na šírku pásma siete. Tento adaptívny prístup k alokácii šírky pásma predstavuje významný pokrok v technológiách prepojenia dátového centra, ktorý umožňuje efektívnejšie využívanie zdrojov a znižuje prevádzkové náklady.

 

 

High - Optické technológie a komponenty

---

 

Inovácie VCSEL, DFB a Silicon Photonics inovácie

 

Vývoj vysokých - rýchlostných optických komponentov bol nápomocný pri rozvíjaní technológií prepojenia dátového centra. Nízka - Power, Low - Cena Vertikálne lasery emitujúceho povrchu dutiny (VCSELS) spojené s multimódovým vláknom (MMF) zohrávali rozhodujúcu úlohu pri umožňovaní 10 GB/s Komunikačných centier.

 

Technológia	Rýchlosť	Vzdialenosť	Spotreba energie	Náklady
VCSEL + MMF	Až 25 GB/s	Až 100 metrov	Nízky	Nízky
DFB + SMF	Až 100 GB/s	Do 2 km	Médium	Médium
Kremík	Až 400 GB/s	Do 10 km	Nízko - médium	Klesajúci
Koherentná optika	400G+	10 km+	Vyšší	Vyšší

 

Aj keď sa dosiahol významný pokrok vo výrobe vyšších - rýchlostných VCSEL pomocou alternatívnych materiálov, dosiahnutie rýchlosti výrazne presahujú 10 GB/s pri zachovaní spoľahlivosti a výnosu zostáva značnou výzvou.

 

 

Obmedzenia tradičnej technológie VCSEL sa prejavujú pri zvažovaní vzdialenosti - obmedzenia šírky pásma uložené modálnou disperziou. Pri dátových rýchlostiach 10 GB/s maximálna komunikačná vzdialenosť nedosahuje pokrytie celých zariadení dátového centra a tento rozsah pokrytia sa so zvyšovaním rýchlosti dát rýchlo znižuje. Na prekonanie týchto obmedzení a dosiahnutie rozsahov pokrytia presahujúcich 300 metrov pri rýchlostiach 10 GB/s dátové centrá stále viac prijímajú lasery s distribuovanejšou distribuovanou spätnou väzbou (DFB) spárované s režimom Single -.

 

Keď priemysel presadzuje rýchlosti kanála z 10 GB/s na 25 GB/s a neskôr, v laserových dizajnoch DFB sa používajú nové kvartérne materiály, ako sú Ingaalas/INP, aby sa zabezpečilo vynikajúce vysoké - teplotný výkon pri zvýšených rýchlostiach. Inovatívne laserové štruktúry DFB, vrátane krátkych - návrhov dutiny a šošovky - Integrovaný povrch {{}} emitujúce konfigurácie, boli overené tak, aby ponúkli vyššiu šírku pásma a užšiu šírku pásma zariadenia v porovnaní s vcsels.

 

Silicon Photonics sa ukázal ako transformačná technológia pri riešení energetických účinnosť a nákladov spojených s tradičným III - v Zlúčenina zložených polovodičových optických transceiverov. Napriek tomu, že Siliconov nepriamy bandgap obmedzuje jeho účinnosť ako polovodičový laserový materiál, ponúka vynikajúcu tepelnú vodivosť, priehľadnosť pri tradičných telekomunikačných vlnových dĺžkach a charakteristiky s nízkym šumom, keď sa používa na násobenie lavíny v dôsledku vysokých rýchlosti ionizácie elektrónov/dier.

 

 

Posledné prielomy v kremíkovej fotonike zahŕňajú vysoké - účinnosť germániových fotodetektorov, vysoké - rýchlostné kremíkové modulátory s minimálnou spotrebou prepínania energie a germánium/kremíkový laserový vývoj. Pevná integrácia elektroniky a fotoniky umožnená týmito technológiami umožňuje vyššiu šírku pásma pri nižších úrovniach spotreby energie, umiestnenie kremíkovej fotoniky ako kľúčového aktivátora na zlepšenie flexibility dátových centier, energetickej účinnosti a zníženia nákladov.

 

 

Multiplexingové technológie na škálovanie šírky pásma

---

 

Multiplexovanie vesmíru

 

Implementácia techník multiplexovania je nevyhnutná na škálovanie šírky pásma prepojenia v technológiách moderných dátových centier. Multiplexovanie vesmírneho delenia (SDM) a multiplexovanie divízie vlnových dĺžok (WDM) efektívne využívajú paralelizmus spojený s počítačovými architektúrami a prepínajúcimi čipmi, vďaka čomu sú dve najčastejšie nasadené multiplexovacie technológie v prostrediach dátových centier.

 

Porovnanie techník multiplexovania

 

Najjednoduchší prístup k zvýšenej šírke pásma prostredníctvom SDM zahŕňa venovanie jednotlivých vlákien na každý kanál, pričom laserové a fotodetektorové polia nasadené v oboch koncových bodoch. Paralelné optické transceivery využívajúce konektory pásky a MPO boli široko nasadené v dátovom centre a vysoké - prostredia výpočtových výpočtov.

 

Okrem tradičných implementácií paralelných káblových káblov pásky, Multi - technológia Core Fiber (MCF) pôvodne vyvinutá pre Long - Diaľkové telekomunikácie získali pozornosť v aplikáciách dátového centra. Technológia MCF umožňuje viacerým jadrám zdieľať jedno oplotenie v jednom vlákne a pomocou mriežkových spojiek môže byť MCF priamo pripojený k laserovým a fotodetektorovým poliam pomocou konvenčných LC konektorov. Tento prístup významne zlepšuje hustotu prepojenia tým, že umožňuje viac jadier (a teda väčšiu šírku pásma) v rámci jedného kábla.

 

Multiplexovanie vlnovej dĺžky

 

Technológia WDM, ktorá bola v posledných desaťročiach intenzívne nasadená v Metro a Long - siete prenosu prenosu, sa teraz vyvíja s cieľom riešiť jedinečné požiadavky Technologie Short - Dimate Data Center Interconnect Technologies. Prijatie WDM v prostrediach dátových centier je poháňané potrebou znížiť režijné náklady na kabeláž, zatiaľ čo neustále zvyšuje šírku pásma spojenia.

 

 

Implementácia WDM v technológiách Interconnect Data Center sa musí zaoberať niekoľkými kritickými úvahami:

 

Úvahy o infraštruktúre vlákien

---

 

Výber medzi jednotlivými - režimom vlákniny (SMF) a multimódovým vlákninou (MMF) predstavuje kritické rozhodnutie pri implementácii technológií Interconnect Data Center. Zatiaľ čo MMF - vzájomné prepojenia tradične dominujú Rack - až {- Komunikácia s rýchlosťou 10G v dôsledku nízkych nákladov na transceiver, obmedzenia MMF v súvislosti s pásmou približne 10 GB/S) viedli k zvýšenému prijatiu MMF z hľadiska smf { na kratšie vzdialenosti.

 

Porovnanie výkonu vlákien

 

Technológia SMF ponúka niekoľko presvedčivých výhod pre nasadenie dátových centier. Ako zrelá, nízka - Cena Commercial Technology s jednoduchou štruktúrou sa SMF využíva v telekomunikačnom priemysle už desaťročia. Jeden SMF môže podporovať desiatky až stovky terabitov za sekundu šírky pásma prostredníctvom technológie WDM, kde viac párov vysielača pracuje pri rôznych vlnových dĺžkach v rámci toho istého vlákna.

 

 

Výhody SMF - technológií Data Interconnect Technologies sa stávajú čoraz viac zrejmé, keď sa stupnice dátových centier mieria od 10GE do 40GE, 100GE a 400GE. Implementácie SMF poskytujú významné úspory nákladov na káble a zníženie objemu v rámci generácií architektúry siete, ktoré ponúkajú výhody vo výdavkoch na kapitál aj prevádzku.

 

Škálovateľnosť šírky pásma prepojenia je výrazne vylepšená SMF, pretože rýchlosti kanálov vlnovej dĺžky sa môžu zvýšiť skôr v rámci rovnakého vlákna, než vyžadovať ďalšie paralelné vlákna ako v prepojení MMF. Maximálny rozsah prepojenia sa tiež výrazne predĺži a zároveň znižuje požiadavky na počet vlákien a priestoru panela záplat.

 

Energy - proporcionálne optické prepojenia

---

 

Tradičné siete hierarchických dátových centier spotrebovali relatívne málo energie v porovnaní so servermi v dôsledku vysokej konvergencie šírky pásma v každej vrstve a nízke rýchlosti využitia servera. Avšak v mierke - siete architektúry siete, podstatné zvýšenie šírky pásma priepasti a vylepšené využitie servera transformovali spotrebu energie siete z menej ako 12% na významnú časť celkovej spotreby energie dátového centra.

 

Distribúcia výkonu dátového centra

 

Okrem nasadenia nízkeho - Power Optical Tonsceitors sa efektívnosť siete môže ďalej zlepšiť tak, že spotreba komunikácie primerane má úmernú množstvu prenosných údajov. Technológie Modern Data Center Interconnect to umožňujú prostredníctvom dynamických možností rozsahu pri dodávaní výkonu aj šírky pásma.

 

Optické prepojenia a ich pridružené obvody s vysokým obsahom - Speed ​​Serializer/Deserializer (SERDES) vykazujú veľké dynamické rozsahy vo výkone a šírke pásma. Komerčné spínacie čipy môžu manuálne upravovať dátové rýchlosti prepojenia na viacerých kanáloch, pričom každý kanál je schopný prevádzkovať rýchlosť až do 10 GB/s. Táto flexibilita umožňuje dynamický rozsah 64% spotreby energie a 16 × vo výkone, čo umožňuje aktivovať menej kanálov a prevádzkovať pri nižších dátových rýchlostiach, aby sa znížila spotreba energie optického spojenia.

Protokoly Infiniband aj Ethernet podporujú konfiguráciu spojenia pri určených rýchlostiach a šírkach, pričom časy reaktivácie Link od nanosekúnd po mikrosekundy. Keď sa miera odkazu zmení medzi 10 GB/s, 20 GB/s a 40 GB/s so všetkými štyrmi aktívnymi kanálmi, čip jednoducho upraví šírku pásma pri prijímajúcich hodinách (CDR) a re {- zamkne CDR. Pretože väčšina moderných implementácií SERDES používa digitálne CDR v prijímacej ceste, proces blokovania pre rôzne rýchlosti dát je rýchly, zvyčajne dokončuje do 50 nanosekúnd za normálnych podmienok a 100 nanosekúnd v najhorších scenároch prípadu -.

 

 

Pokročilá modulácia a spracovanie signálu

---

 

While space and wavelength division multiplexing represent the primary approaches for bandwidth scaling in data center interconnect technologies, other techniques such as optical orthogonal frequency division multiplexing (O-OFDM) and multi-level or advanced modulation formats can further extend single-fiber bandwidth and capacity. Tieto metódy si však vyžadujú moduly konverzie rýchlosti pre kódovanie signálu, spolu s ASIC čipmi na spracovanie digitálneho signálu (DSP) a analógové {- do - digitálny/digitálny - na {{{} {} center pre konvertory.

 

 

Trade - prechádza medzi spektrálnou efektívnosťou, spotrebou energie, diverzitou cesty a zložitosťou kabeláže naďalej ovplyvňuje návrh technológií prepojenia dátového centra. V prípade intra - budovy sú žiaduce topológie sieťoviny s bohatou konektivitou, čo umožňuje určitú obetu v spektrálnej účinnosti na dosiahnutie nižšej spotreby energie, znížené náklady na vysielač a bohatšie sieťové štruktúry. Avšak vo vyšších agregačných vrstvách alebo v inter - siete budov, kde sa šírka pásma sústreďuje na bod - na {-, a nasadenie tmavých vlákien je drahé, husté multiplexovanie vlnovej dĺžky (DWDM) sa stáva preferovaným riešením.

 

 

Výzvy integrácie a obalov

---

 

Úspešné nasadenie Next - Generation Data Interconnect Technologies závisí od prekonania rôznych výziev v oblasti balenia a integrácie. Keďže Rack - miera vnútornej komunikácie sa zvyšuje nad 10 GB/s, tradičné medené káble sa nahrádzajú optickými komponentmi v dôsledku objemnej povahy, vysokej spotreby energie a významných stratách pasívnych a aktívnych medených káblov pri vysokých rýchlostiach dát, čím sa obmedzujú ich použitie iba na pár metrov.

 

 

Prijatie ic - typu Optické obalové riešenia, ako je technológia Light Peak, sľubuje revolúciu v pripojení dátového centra prostredníctvom nízkych -, krátky {- optické optické zariadenia. Nasledujúce roky budú svedkami komercializácie kariet sieťového rozhrania (NICS) s nízkym - nákladmi n × 10G optické rozhrania. Okrem toho prepínanie čipov bude zahŕňať natívnu podporu PHY pre sériové rozhrania 10G, čím sa ďalej znižuje náklady a spotreba energie.

 

Integrácia fotoniky s elektronikou predstavuje kritický míľnik v rozvoji technológií prepojenia dátového centra. Pevné spojenie medzi elektronickými a fotonickými komponentmi umožňuje vyššiu šírku pásma pri nižších úrovniach spotreby energie, zatiaľ čo CMOS - kompatibilné výrobné procesy sľubujú zníženie nákladov prostredníctvom úspor z rozsahu. Realizácia týchto výhod si však vyžaduje riešenie mnohých výziev súvisiacich s tepelným riadením, hustotou balenia a výrobným výnosom.