Ce este tehnologiile de interconectare a centrelor de date

Evoluția interconectării optice în centrele de date moderne

 

 

 

Evoluția interconectării optice în scară - Out Centre de date

---

 

Fibra optică a apărut ca mediu principal de interconectare pentru comunicațiile centrelor de date, jucând un rol indispensabil în transmiterea datelor pe diferite scale. Tranziția de la soluții bazate pe cupru - la interconectările optice reprezintă o schimbare fundamentală a modului în care centrele de date moderne se apropie de provocările comunicării de viteză -.

 

 

Trecerea de la cupru (stânga) la fibră optică (dreapta) a revoluționat conectivitatea centrului de date, permițând viteze mai mari pe distanțe mai lungi, cu un consum de energie mai mic.

 

Diverse tehnologii optice emergente au devenit alternative viabile pentru abordarea provocărilor tehnice cu care se confruntă rețelele în timpul scalărilor orizontale, îmbunătățind semnificativ performanța și eficiența implementărilor mari ale centrului de date -.

 

Viitorul tehnologiilor de interconectare a centrelor de date cuprinde o integrare cuprinzătoare a transceiver -urilor de multiplexare a diviziei de lungime de undă (WDM) ca blocuri de construcții modulare din infrastructura centrului de date. În arhitecturi avansate, transceiver -urile optice paralele tradiționale care conectează păstăile și conectarea podurilor de întrerupătoarele de bază sunt înlocuite cu transceiver -uri WDM integrate care funcționează cu viteze de 40g, 100g și 400g.

 

 

Evoluția vitezei de interconectare a centrelor de date

 

Această evoluție tehnologică permite agregarea tuturor canalelor electrice cu aceeași destinație folosind o singură fibră, reducând dramatic complexitatea infrastructurii de fibre, menținând în același timp o capacitate ridicată de lățime de bandă. Pentru a optimiza consumul de energie în aceste arhitecturi avansate, lățimea de bandă de interconectare între păstăi poate fi ajustată dinamic pentru a se potrivi cu cerințele necesare ale lățimii de bandă a rețelei. Această abordare adaptativă a alocării lățimii de bandă reprezintă un avans semnificativ în tehnologiile de interconectare a centrelor de date, permițând utilizarea mai eficientă a resurselor și reducerea costurilor operaționale.

 

 

High - Speed ​​Technologies and Components

---

 

Inovații VCSEL, DFB și Silicon Photonics

 

Dezvoltarea componentelor optice de viteză -} a fost esențială în avansarea tehnologiilor de interconectare a centrelor de date. Putere scăzută -, scăzută - costul laserelor de emisie a suprafeței cavității verticale (VCSELS) cuplate cu fibre multimode (MMF) au jucat un rol crucial în activarea ratei de comunicare de 10 GB/s în centrele de date.

 

Tehnologie	Viteză	Distanţă	Consumul de energie	Cost
VCSEL MMF	Până la 25 GB/s	Până la 100m	Scăzut	Scăzut
DFB SMF	Până la 100 GB/s	Până la 2 km	Mediu	Mediu
Fotonică de siliciu	Până la 400 GB/s	Până la 10 km	Low - mediu	În scădere
Optică coerentă	400G+	10 km+	Superior	Superior

 

În timp ce s -au înregistrat progrese semnificative în fabricarea VCSEL -urilor mai mari - viteză folosind materiale alternative, obținerea vitezei depășind în mod semnificativ 10 GB/s, menținând în același timp fiabilitatea și randamentul rămâne o provocare considerabilă.

 

 

Limitările tehnologiei tradiționale VCSEL devin evidente atunci când luați în considerare distanța - constrângerile produsului de lățime de bandă impuse de dispersia modală. La rate de date de 10 GB/s, distanța maximă de comunicare scade în ceea ce privește acoperirea întregului centru de date, iar acest interval de acoperire scade rapid pe măsură ce ratele de date cresc. Pentru a depăși aceste limitări și pentru a obține intervale de acoperire care depășesc 300 de metri cu viteză de 10 GB/s, centrele de date au adoptat din ce în ce mai mult feedback distribuit mai puternic, dar mai scump (DFB), lasere, împerecheate cu fibră de mod unică - (SMF).

 

Pe măsură ce industria împinge viteza canalului de la 10 GB/s la 25 GB/s și nu numai, materiale cuaternare noi, cum ar fi Ingaalas/INP, sunt utilizate în proiectele laser DFB pentru a oferi performanțe superioare ridicate de temperatură - la viteze ridicate. Structurile inovatoare laser DFB, inclusiv proiectele de cavitate scurte - și lentile - Suprafață integrată - configurații care emit, au fost validate pentru a oferi lățimea de bandă mai mare a dispozitivului și lățimea spectrală mai restrânsă în comparație cu VCSEL -urile.

 

Fotonica de siliciu a apărut ca o tehnologie transformatoare în abordarea eficienței energetice și a provocărilor costurilor asociate cu transceiver -uri optice cu semiconductor tradițional III - v. În ciuda grupului indirect al Siliconului, limitându -și eficacitatea ca material laser cu semiconductor, oferă o conductivitate termică excelentă, transparență la lungimi de undă tradiționale de telecomunicații și caracteristici scăzute de zgomot atunci când este utilizată pentru multiplicarea avalanșelor datorită ratelor de ionizare a coliziunii ridicate de electroni/găuri.

 

 

Descoperirile recente ale fotonicelor din siliciu includ {- eficiență fotodetectoare germanium, modultori de siliciu ridicat - cu viteză cu consum de energie de comutare minimă și evoluții cu laser germanium/siliciu. Integrarea strânsă a electronicelor și a fotonicelor, activată de aceste tehnologii, permite lățimea de bandă mai mare la niveluri mai mici de consum de energie, poziționând fotonica siliciu ca un element cheie pentru îmbunătățirea flexibilității centrelor de date, a eficienței energetice și a reducerii costurilor.

 

 

Tehnologii de multiplexare pentru scalarea lățimii de bandă

---

 

Multiplexarea diviziei spațiale

 

Implementarea tehnicilor de multiplexare este esențială pentru scalarea lățimii de bandă de interconectare în tehnologiile de interconectare a centrelor de date moderne. Multiplexarea diviziei spațiale (SDM) și multiplexarea diviziei de undă (WDM) folosesc efectiv paralelismul inerent arhitecturilor de calculator și jetoanele de comutare, ceea ce le face cele două tehnologii de multiplexare cele mai implementate pe scară largă în mediile centrelor de date.

 

Comparație de tehnici de multiplexare

 

Cea mai simplă abordare a creșterii lățimii de bandă prin SDM implică dedicarea fibrelor individuale fiecărui canal, cu tablouri laser și fotodetector implementate la ambele puncte finale. Transceiver -uri optice paralele care utilizează fibre de panglică și conectori MPO au fost implementate pe scară largă în centrul de date și în medii de calcul performante -}.

 

Dincolo de implementările tradiționale de cablu cu panglică paralelă, tehnologia multi - Core Fiber (MCF) tehnologia dezvoltată inițial pentru Telecomunicațiile Long - la distanță a câștigat atenție în aplicațiile din centrul de date. Tehnologia MCF permite mai multor nuclee să partajeze o singură placare într -o singură fibră, iar prin utilizarea cuplurilor de grătare, MCF poate fi conectat direct la tablouri cu laser și fotodetector folosind conectori LC convenționali. Această abordare îmbunătățește semnificativ densitatea de interconectare, permițând mai multe nuclee (și deci mai multă lățime de bandă) într -un singur cablu.

 

Multiplexarea diviziei de undă

 

Tehnologia WDM, care a fost implementată pe scară largă în metrou, iar rețelele de transmisie - în ultimele decenii, evoluează acum pentru a aborda cerințele unice ale tehnologiilor de interconectare a centrului de date scurt -. Adoptarea WDM în mediile din centrul de date este determinată de necesitatea reducerii cablurilor aeriene, în timp ce crește continuu lățimea de bandă a legăturii.

 

 

Implementarea WDM în tehnologiile de interconectare a centrelor de date trebuie să abordeze mai multe considerente critice:

 

Considerații privind infrastructura de fibre

---

 

Alegerea dintre fibra de mod unică - (SMF) și fibra multimodă (MMF) reprezintă o decizie critică în implementarea tehnologiilor de interconectare a centrelor de date. 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 even for distanțe mai scurte.

 

Comparație de performanță de tip fibră

 

Tehnologia SMF oferă mai multe avantaje convingătoare pentru implementările centrelor de date. Ca o tehnologie comercială matură, scăzută -, cu o structură simplă, SMF a fost utilizat în industria telecomunicațiilor de zeci de ani. Un singur SMF poate susține zeci până la sute de terabite pe secundă de lățime de bandă prin intermediul tehnologiei WDM, unde mai multe perechi de transceiver funcționează la diferite lungimi de undă din aceeași fibră.

 

 

Avantajele tehnologiilor de interconectare a centrelor de date bazate pe SMF -- sunt din ce în ce mai evidente pe măsură ce centrele de date de la 10Ge la 40ge, 100GE și 400GE. Implementările SMF oferă economii semnificative de costuri de cablu și reducerea volumului în generațiile de arhitectură a rețelei, oferind avantaje atât în ​​cheltuielile de capital, cât și în cele operaționale.

 

Scalabilitatea lățimii de bandă a interconectării este mult îmbunătățită cu SMF, deoarece ratele canalului de lungime de undă pot fi crescute în aceeași fibră, mai degrabă decât să necesite fibre paralele suplimentare ca în interconectările MMF. Gama maximă de interconectare este, de asemenea, semnificativ extinsă, reducând în același timp cerințele de spațiu de fibre și Patch Patch.

 

Energie - interconectări optice proporționale

---

 

Rețelele tradiționale de centru de date ierarhice au consumat relativ puțină putere în comparație cu serverele datorită convergenței ridicate de lățime de bandă la fiecare strat și rate scăzute de utilizare a serverului. Cu toate acestea, în scară - arhitecturi de rețea, creșterea substanțială a lățimii de bandă a bisecției și utilizarea îmbunătățită a serverului au transformat consumul de energie al rețelei de la mai puțin de 12% la o porțiune semnificativă a consumului general de energie a centrului de date.

 

Distribuția puterii centrului de date

 

Dincolo de implementarea scăzută - transceiver optice de putere, eficiența rețelei poate fi îmbunătățită în continuare, făcând consumul de energie de comunicare proporțional cu cantitatea de date transmise. Tehnologiile moderne de interconectare a centrelor de date permit acest lucru prin capacități dinamice de gamă atât în ​​livrarea puterii, cât și a lățimii de bandă.

 

Interconectările optice și cele mai importante asociate - Serializator de viteză/Deserializer (SERDES) prezintă intervale dinamice mari de putere și lățime de bandă. Jetoanele de comutare comercială pot regla manual ratele de date ale legăturii pe mai multe canale, cu fiecare canal capabil să funcționeze cu viteze de până la 10 GB/s. Această flexibilitate permite o gamă dinamică de 64% în consumul de energie și 16 × performanță, permițând activarea și acționarea mai puține canale la rate de date mai mici pentru a reduce consumul de energie optică.

Atât protocoalele Infiniband cât și Ethernet acceptă configurația legăturii la viteze și lățimi specificate, cu timpi de reactivare a legăturii variind de la nanosecunde la microsecunde. Când ratele de legătură se modifică între 10 GB/s, 20 GB/s și 40 GB/s cu toate cele patru canale active, cipul ajustează pur și simplu lățimea de bandă de recuperare a datelor de recepție a ceasului (CDR) și re - blochează CDR. Deoarece majoritatea implementărilor moderne ale serdelor folosesc CDR digital în calea de recepție, procesul de blocare pentru diferite rate de date este rapid, de obicei completând în 50 de nanosecunde în condiții normale și 100 de nanosecunde în cele mai grave scenarii -.

 

 

Modulare avansată și procesare a semnalului

---

 

În timp ce multiplexarea de divizie spațială și lungime de undă reprezintă abordările principale pentru scalarea lățimii de bandă în tehnologiile de interconectare a centrelor de date, alte tehnici precum multiplexarea diviziei de frecvență ortogonală optică (O - OFDM) și multi -- nivel sau format de modulare avansat și în continuare, extinzând în continuare un singur-} Formate de modulare și capacitate. Cu toate acestea, aceste metode necesită module de conversie a vitezei pentru codificarea semnalului, împreună cu cipuri ASIC pentru procesarea digitală a semnalului (DSP) și analogul - la - digital/digital - la - convertitori analogici, rezultând penalități de putere semnificative care ar putea costa -}, rezultând penalități de date care ar putea costa -} Prohibititive pentru centrele de date.

 

 

Comerțul - între eficiența spectrală, consumul de energie, diversitatea căilor și complexitatea cablurilor continuă să influențeze proiectarea tehnologiilor de interconectare a centrelor de date. Pentru rețelele de construcții Intra -, topologiile de plasă cu conectivitate bogată sunt de dorit, permițând unele sacrificii în eficiența spectrală pentru a obține un consum de energie mai mic, costuri de transceiver reduse și structuri de rețea mai bogate. Cu toate acestea, la straturile de agregare mai mari sau în rețelele inter - construind rețelele în care lățimea de bandă este concentrată pe punctul - la legăturile punctului - și implementarea fibrelor întunecate este costisitoare, multiplexarea densă a lungimii de undă densă (DWDM) cu eficiența spectrală mai mare devine soluția preferată.

 

 

Provocări de integrare și ambalaje

---

 

Implementarea cu succes a următorului - Generation Data Center Technologies Interconect Technologies depinde foarte mult de depășirea diverselor provocări de ambalare și integrare. Deoarece rafturile de raft - ratele de comunicare internă cresc peste 10 GB/s, cablurile tradiționale de cupru sunt înlocuite cu componente optice datorită naturii voluminoase, consumului mare de energie și a pierderilor semnificative de cabluri de cupru pasive și active la rate mari de date, limitând utilizarea lor la variații de doar câțiva metri.

 

 

Adoptarea IC - soluții de ambalare optică, cum ar fi tehnologia Light Peak, promite să revoluționeze conectivitatea centrului de date prin costuri optice -, scurte - dispozitive optice la distanță. Anii următori vor fi martorii comercializării cardurilor de interfață de rețea (NICS), cu costuri optice -} n × 10G. În plus, jetoanele de comutare vor încorpora suportul PHY nativ pentru interfețe seriale de 10G, reducând în continuare costurile și consumul de energie.

 

Integrarea fotonicii cu electronica reprezintă o etapă critică în avansarea tehnologiilor de interconectare a centrelor de date. Cuplarea strânsă între componentele electronice și cele fotonice permite lățimea de bandă mai mare la niveluri mai mici de consum de energie, în timp ce procesele de fabricație compatibile CMOS - promit să reducă costurile prin economii de scară. Cu toate acestea, realizarea acestor beneficii necesită abordarea a numeroase provocări legate de gestionarea termică, densitatea ambalajelor și randamentul de fabricație.