Apa itu Teknologi Interkoneksi Pusat Data

Evolusi interkoneksi optik di pusat data modern

 

 

 

Evolusi interkoneksi optik dalam skala - keluar pusat data

---

 

Serat optik telah muncul sebagai media interkoneksi utama untuk komunikasi pusat data, memainkan peran yang sangat diperlukan dalam transmisi data di berbagai skala. Transisi dari tembaga - solusi berbasis untuk interkoneksi optik mewakili perubahan mendasar dalam bagaimana pusat data modern mendekati tantangan komunikasi kecepatan - tinggi.

 

 

Transisi dari tembaga (kiri) ke serat optik (kanan) telah merevolusi konektivitas pusat data dengan memungkinkan kecepatan yang lebih tinggi pada jarak yang lebih jauh dengan konsumsi daya yang lebih rendah.

 

Berbagai teknologi optik yang muncul telah menjadi alternatif yang layak untuk mengatasi tantangan teknis yang dihadapi oleh jaringan selama penskalaan horizontal, secara signifikan meningkatkan kinerja dan efisiensi penyebaran pusat data skala besar-.

 

Masa depan teknologi interkoneksi pusat data mencakup integrasi komprehensif transceiver divisi panjang gelombang (WDM) sebagai blok bangunan modular dalam infrastruktur pusat data. Dalam arsitektur canggih, transceiver optik paralel tradisional yang menghubungkan pod dan menghubungkan pod ke sakelar inti diganti dengan transceiver WDM terintegrasi yang beroperasi dengan kecepatan 40g, 100g, dan 400g.

 

 

Evolusi kecepatan interkoneksi pusat data

 

Evolusi teknologi ini memungkinkan agregasi semua saluran listrik dengan tujuan yang sama menggunakan serat tunggal, secara dramatis mengurangi kompleksitas infrastruktur serat sambil mempertahankan kapasitas bandwidth yang tinggi. Untuk mengoptimalkan konsumsi daya dalam arsitektur canggih ini, bandwidth interkoneksi antara pod dapat disesuaikan secara dinamis agar sesuai dengan tuntutan bandwidth jaringan yang diperlukan. Pendekatan adaptif untuk alokasi bandwidth ini merupakan kemajuan yang signifikan dalam teknologi interkoneksi pusat data, memungkinkan pemanfaatan sumber daya yang lebih efisien dan mengurangi biaya operasional.

 

 

- tinggi teknologi optik kecepatan dan komponen

---

 

VCSEL, DFB, dan inovasi fotonik silikon

 

Pengembangan komponen optik - tinggi telah berperan penting dalam memajukan teknologi interkoneksi pusat data. Rendah - power, rendah - biaya laser pemancar permukaan rongga vertikal (VCSELS) ditambah dengan serat multimode (MMF) telah memainkan peran penting dalam memungkinkan 10 tingkat komunikasi GB/s dalam pusat data.

 

Teknologi	Kecepatan	Jarak	Konsumsi daya	Biaya
Vcsel + mmf	Hingga 25 GB/s	Hingga 100m	Rendah	Rendah
DFB + SMF	Hingga 100 GB/s	Hingga 2 km	Sedang	Sedang
Silikon Photonics	Hingga 400 GB/s	Hingga 10 km	Medium rendah -	Menurun
Optik yang koheren	400G+	10km+	Lebih tinggi	Lebih tinggi

 

Sementara kemajuan yang signifikan telah dibuat dalam manufaktur - kecepatan vcsels yang lebih tinggi menggunakan bahan alternatif, mencapai kecepatan yang secara signifikan melebihi 10 GB/s sambil mempertahankan keandalan dan hasil tetap menjadi tantangan yang cukup besar.

 

 

Keterbatasan teknologi VCSEL tradisional menjadi jelas ketika mempertimbangkan jarak - batasan produk bandwidth yang dipaksakan oleh dispersi modal. Pada 10 GB/s rate data, jarak komunikasi maksimum tidak menempuh seluruh fasilitas pusat data, dan kisaran cakupan ini dengan cepat berkurang seiring meningkatnya laju data. Untuk mengatasi keterbatasan ini dan mencapai rentang cakupan yang melebihi 300 meter pada kecepatan 10 GB/s, pusat data semakin mengadopsi laser umpan balik terdistribusi (DFB) yang lebih mahal yang dipasangkan dengan serat mode {6} {6} tunggal (SMF).

 

Karena industri mendorong kecepatan saluran dari 10 GB/s hingga 25 GB/s dan seterusnya, bahan -bahan kuarter baru seperti InGaalas/INP sedang digunakan dalam desain laser DFB untuk memberikan kinerja suhu {{2} {2} yang tinggi dengan kecepatan tinggi. Struktur laser DFB yang inovatif, termasuk desain dan lensa rongga {4} {4} {4} - -- yang terintegrasi, telah divalidasi untuk menawarkan bandwidth perangkat yang lebih tinggi dan lebar spektral yang lebih sempit dibandingkan dengan Vcsels.

 

Silicon Photonics telah muncul sebagai teknologi transformatif dalam mengatasi efisiensi energi dan tantangan biaya yang terkait dengan III tradisional III - v Transceiver Optik Semikonduktor Senyawa. Meskipun celah pita tidak langsung silikon membatasi efektivitasnya sebagai bahan laser semikonduktor, ia menawarkan konduktivitas termal yang sangat baik, transparansi pada panjang gelombang telekomunikasi tradisional, dan karakteristik kebisingan rendah ketika digunakan untuk multiplikasi longsoran karena laju ionisasi tabrakan elektron/lubang yang tinggi.

 

 

Terobosan terbaru dalam fotonik silikon termasuk -} efisiensi germanium tinggi, tinggi -} modulator silikon kecepatan tinggi dengan konsumsi energi switching minimal, dan pengembangan laser germanium/silikon. Integrasi ketat elektronik dan fotonik yang diaktifkan oleh teknologi ini memungkinkan bandwidth yang lebih tinggi pada tingkat konsumsi daya yang lebih rendah, memposisikan silikon fotonik sebagai enabler utama untuk meningkatkan fleksibilitas pusat data, efisiensi energi, dan pengurangan biaya.

 

 

Teknologi multiplexing untuk penskalaan bandwidth

---

 

Multiplexing Divisi Luar Angkasa

 

Implementasi teknik multiplexing sangat penting untuk meningkatkan bandwidth interkoneksi dalam teknologi interkoneksi pusat data modern. Space Division Multiplexing (SDM) dan Wavelength Division Multiplexing (WDM) secara efektif memanfaatkan paralelisme yang melekat dalam arsitektur komputer dan mengganti chip, menjadikannya dua teknologi multiplexing yang paling banyak digunakan di lingkungan pusat data.

 

Perbandingan teknik multiplexing

 

Pendekatan paling sederhana untuk meningkatkan bandwidth melalui SDM melibatkan mendedikasikan serat individu untuk setiap saluran, dengan array laser dan fotodetektor yang digunakan di kedua titik akhir. Transceiver optik paralel yang menggunakan serat pita dan konektor MPO telah banyak digunakan di pusat data dan lingkungan komputasi kinerja {1- tinggi.

 

Di luar implementasi kabel pita paralel tradisional, multi - teknologi inti fiber (MCF) yang awalnya dikembangkan untuk long - jarak telekomunikasi jarak jauh telah mendapatkan perhatian dalam aplikasi pusat data. Teknologi MCF memungkinkan beberapa core untuk berbagi kelongsong tunggal dalam satu serat, dan melalui penggunaan kisi kisi, MCF dapat terhubung langsung ke laser dan array fotodetektor menggunakan konektor LC konvensional. Pendekatan ini secara signifikan meningkatkan kepadatan interkoneksi dengan memungkinkan lebih banyak core (dan dengan demikian lebih banyak bandwidth) dalam satu kabel.

 

Multiplexing divisi panjang gelombang

 

Teknologi WDM, yang telah dikerahkan secara luas dalam jaringan transmisi metro dan long - selama beberapa dekade terakhir, sekarang berkembang untuk mengatasi persyaratan unik teknologi interkoneksi pusat data pendek- jarak jauh. Adopsi WDM di lingkungan pusat data didorong oleh kebutuhan untuk mengurangi overhead kabel sambil terus meningkatkan bandwidth tautan.

 

 

Implementasi WDM di Data Center Interconnect Technologies harus membahas beberapa pertimbangan kritis:

 

Pertimbangan Infrastruktur Serat

---

 

Pilihan antara single - fiber (SMF) dan multimode fiber (MMF) merupakan keputusan penting dalam mengimplementasikan teknologi interkoneksi pusat data. MMF - interkoneksi berbasis secara tradisional mendominasi rak - ke - komunikasi rak pada laju garis 10g karena biaya transceiver yang rendah, keterbatasan MMF dalam hal peningkatan pita dan jangkauan (sekitar 10 gb/dtm. jarak.

 

Perbandingan Kinerja Jenis Serat

 

Teknologi SMF menawarkan beberapa keunggulan menarik untuk penyebaran pusat data. Sebagai yang matang, rendah - biaya teknologi komersial dengan struktur sederhana, SMF telah digunakan dalam industri telekomunikasi selama beberapa dekade. SMF tunggal dapat mendukung puluhan hingga ratusan terabit per detik bandwidth melalui teknologi WDM, di mana beberapa pasangan transceiver beroperasi pada panjang gelombang yang berbeda dalam serat yang sama.

 

 

Keuntungan dari SMF - berbasis teknologi interkoneksi pusat data menjadi semakin jelas sebagai skala pusat data dari 10GE hingga 40GE, 100GE, dan kecepatan 400GE. Implementasi SMF memberikan penghematan biaya kabel yang signifikan dan pengurangan volume di seluruh generasi arsitektur jaringan, menawarkan keuntungan dalam pengeluaran modal dan operasional.

 

Skalabilitas bandwidth interkoneksi sangat ditingkatkan dengan SMF, karena laju saluran panjang gelombang dapat ditingkatkan dalam serat yang sama daripada membutuhkan serat paralel tambahan seperti pada interkoneksi MMF. Kisaran interkoneksi maksimum juga diperpanjang secara signifikan sambil mengurangi jumlah serat dan persyaratan ruang panel patch.

 

Energi - Interkoneksi optik proporsional

---

 

Jaringan pusat data hierarkis tradisional yang dikonsumsi daya relatif sedikit dibandingkan dengan server karena konvergensi bandwidth yang tinggi di setiap lapisan dan tingkat pemanfaatan server yang rendah. Namun, dalam skala - out arsitektur jaringan, peningkatan substansial dalam bandwidth bisection dan pemanfaatan server yang ditingkatkan telah mengubah konsumsi daya jaringan dari kurang dari 12% menjadi sebagian besar dari keseluruhan konsumsi daya pusat data.

 

Distribusi Daya Pusat Data

 

Di luar menyebarkan transceiver optik - rendah, efisiensi jaringan dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan membuat konsumsi energi komunikasi sebanding dengan jumlah data yang ditransmisikan. Teknologi interkoneksi pusat data modern memungkinkan ini melalui kemampuan rentang dinamis baik dalam pengiriman daya dan bandwidth.

 

Interkoneksi optik dan sirkuit Serializer/Deserializer (SERDES) High High yang terkait - menunjukkan rentang dinamis besar dalam daya dan bandwidth. Chip switching komersial dapat secara manual menyesuaikan laju data tautan di beberapa saluran, dengan setiap saluran yang mampu beroperasi dengan kecepatan hingga 10 GB/s. Fleksibilitas ini memungkinkan kisaran dinamis 64% dalam konsumsi daya dan kinerja 16 ×, memungkinkan lebih sedikit saluran untuk diaktifkan dan dioperasikan pada tingkat data yang lebih rendah untuk mengurangi konsumsi daya tautan optik.

Baik protokol Infiniband dan Ethernet mendukung konfigurasi tautan pada kecepatan dan lebar yang ditentukan, dengan waktu reaktivasi tautan mulai dari nanodetik hingga mikrodetik. Ketika laju tautan berubah antara 10 GB/s, 20 GB/s, dan 40 GB/s dengan keempat saluran yang aktif, chip cukup menyesuaikan bandwidth Recree Data Recovery (CDR) dan re - mengunci CDR. Karena sebagian besar implementasi Serdes modern menggunakan CDR digital di jalur penerimaan, proses penguncian untuk laju data yang berbeda cepat, biasanya diselesaikan dalam 50 nanodetik dalam kondisi normal dan 100 nanoseconds dalam skenario kasus terburuk -.

 

 

Modulasi lanjutan dan pemrosesan sinyal

---

 

Sementara multiplexing divisi ruang dan panjang gelombang mewakili pendekatan utama untuk penskalaan bandwidth dalam teknologi interkoneksi pusat data, teknik lain seperti multiplexing divisi frekuensi ortogonal optik (o - OFDM lebih lanjut dan multi {- level modulasi lanjut. Namun, metode ini memerlukan modul konversi laju untuk pengkodean sinyal, bersama dengan chip ASIC untuk pemrosesan sinyal digital (DSP) dan analog - ke - digital/digital {{6} {{{7} {datar {Data {{7} {{7} {{7} {{7} {{7}.

 

 

Perdagangan - off antara efisiensi spektral, konsumsi daya, keragaman jalur, dan kompleksitas kabel terus mempengaruhi desain teknologi interkoneksi pusat data. Untuk jaringan bangunan intra -, topologi mesh dengan konektivitas yang kaya diinginkan, memungkinkan pengorbanan dalam efisiensi spektral untuk mencapai konsumsi daya yang lebih rendah, mengurangi biaya transceiver, dan struktur jaringan yang lebih kaya. Namun, pada lapisan agregasi yang lebih tinggi atau dalam jaringan bangunan Inter - di mana bandwidth terkonsentrasi pada titik - ke - tautan titik dan penyebaran serat gelap menjadi mahal, solusi divisi panjang gelombang yang padat.

 

 

Tantangan integrasi dan pengemasan

---

 

Penyebaran yang berhasil dari teknologi interkoneksi pusat data generasi berikutnya - sangat tergantung pada mengatasi berbagai tantangan kemasan dan integrasi. Karena Rack - tingkat komunikasi internal meningkat lebih dari 10 GB/s, kabel tembaga tradisional digantikan oleh komponen optik karena sifat besar, konsumsi daya tinggi, dan kerugian signifikan kabel tembaga pasif dan aktif pada laju data tinggi, membatasi penggunaannya hingga hanya beberapa meter.

 

 

Adopsi IC - ketik solusi pengemasan optik, seperti teknologi puncak cahaya, berjanji untuk merevolusi konektivitas pusat data melalui biaya- rendah, pendek - perangkat optik jarak rendah. Tahun -tahun mendatang akan menyaksikan komersialisasi kartu antarmuka jaringan (NICS) yang menampilkan biaya rendah - n × 10g antarmuka optik. Selain itu, switching chip akan menggabungkan dukungan phy asli untuk antarmuka serial 10g, lebih lanjut mengurangi biaya dan konsumsi daya.

 

Integrasi fotonik dengan elektronik merupakan tonggak penting dalam memajukan teknologi interkoneksi pusat data. Kopling ketat antara komponen elektronik dan fotonik memungkinkan bandwidth yang lebih tinggi pada tingkat konsumsi daya yang lebih rendah, sedangkan CMOS - proses manufaktur yang kompatibel berjanji untuk mengurangi biaya melalui skala ekonomi. Namun, mewujudkan manfaat ini membutuhkan mengatasi berbagai tantangan yang terkait dengan manajemen termal, kepadatan pengemasan, dan hasil manufaktur.