Τι είναι οι τεχνολογίες διασύνδεσης του κέντρου δεδομένων

Η εξέλιξη της οπτικής διασύνδεσης στα σύγχρονα κέντρα δεδομένων

 

 

 

Η εξέλιξη της οπτικής διασύνδεσης σε κλίμακα - out κέντρα δεδομένων

---

 

Η οπτική ίνα έχει αναδειχθεί ως το κύριο μέσο διασύνδεσης για τις επικοινωνίες του κέντρου δεδομένων, διαδραματίζοντας απαραίτητο ρόλο στη μετάδοση δεδομένων σε διάφορες κλίμακες. Η μετάβαση από το χαλκό - που βασίζονται σε λύσεις σε οπτικές διασυνδέσεις αντιπροσωπεύει μια θεμελιώδη μετατόπιση του τρόπου με τον οποίο τα σύγχρονα κέντρα δεδομένων προσεγγίζουν τις προκλήσεις των υψηλών - επικοινωνία ταχύτητας.

 

 

Η μετάβαση από χαλκό (αριστερά) σε οπτικές ίνες (δεξιά) έχει επανάσταση στη συνδεσιμότητα του κέντρου δεδομένων, επιτρέποντας υψηλότερες ταχύτητες σε μεγαλύτερες αποστάσεις με χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας.

 

Διάφορες αναδυόμενες οπτικές τεχνολογίες έχουν γίνει βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις για την αντιμετώπιση των τεχνικών προκλήσεων που αντιμετωπίζουν τα δίκτυα κατά τη διάρκεια της οριζόντιας κλιμάκωσης, βελτιώνοντας σημαντικά την απόδοση και την αποτελεσματικότητα των μεγάλων - Data Center Data.

 

Το μέλλον των τεχνολογιών διασύνδεσης του κέντρου δεδομένων περιλαμβάνει μια ολοκληρωμένη ενσωμάτωση των πομποδέκτες πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (WDM) ως αρθρωτά δομικά στοιχεία εντός της υποδομής του κέντρου δεδομένων. Σε προχωρημένες αρχιτεκτονικές, οι παραδοσιακοί παράλληλοι οπτικοί πομποδέκτες που συνδέουν τα λοβό και τη σύνδεση των λοβών με τους διακόπτες πυρήνα αντικαθίστανται με ενσωματωμένους πομποδέκτες WDM που λειτουργούν σε ταχύτητες 40g, 100g και 400g.

 

 

Εξέλιξη των ταχύτητων διασύνδεσης του κέντρου δεδομένων

 

Αυτή η τεχνολογική εξέλιξη επιτρέπει τη συσσωμάτωση όλων των ηλεκτρικών καναλιών με τον ίδιο προορισμό χρησιμοποιώντας μία μόνο ίνα, μειώνοντας δραματικά την πολυπλοκότητα της υποδομής ινών διατηρώντας παράλληλα την ικανότητα υψηλής εύρεσης ζώνης. Για να βελτιστοποιηθεί η κατανάλωση ενέργειας σε αυτές τις προηγμένες αρχιτεκτονικές, το εύρος ζώνης διασύνδεσης μεταξύ των POD μπορεί να ρυθμιστεί δυναμικά ώστε να ταιριάζει με τις απαιτούμενες απαιτήσεις εύρους ζώνης δικτύου. Αυτή η προσαρμοστική προσέγγιση της κατανομής του εύρους ζώνης αποτελεί σημαντική πρόοδο στις τεχνολογίες διασύνδεσης του κέντρου δεδομένων, επιτρέποντας την αποτελεσματικότερη αξιοποίηση των πόρων και τη μείωση του λειτουργικού κόστους.

 

 

Υψηλή - ταχύτητα οπτικών τεχνολογιών και εξαρτημάτων

---

 

Οι καινοτομίες VCSEL, DFB και Silicon Photonics

 

Η ανάπτυξη των υψηλών - οπτικών εξαρτημάτων ταχύτητας έχει συμβάλει στην προώθηση των τεχνολογιών διασύνδεσης του κέντρου δεδομένων. Το χαμηλό - ισχύς, το χαμηλό - κόστος κατακόρυφης κοιλότητας επιφανειακής εκπομπής λέιζερ (VCSEL) σε συνδυασμό με πολυτροπικές ίνες (MMF) διαδραμάτισαν καθοριστικό ρόλο στην παροχή καθορισμού των ποσοστών επικοινωνίας 10 GB/s εντός των κέντρων δεδομένων.

 

Τεχνολογία	Ταχύτητα	Απόσταση	Κατανάλωση ενέργειας	Κόστος
VCSEL + MMF	Έως 25 GB/S	Μέχρι 100μ έως 100μ.	Χαμηλός	Χαμηλός
DFB + SMF	Έως 100 GB/S	Έως 2χλμ.	Μέσον	Μέσον
Φωτονική πυριτίου	Έως 400 GB/S	Έως 10 χιλιόμετρα	Χαμηλό - μέσο	Μειτικός
Συνεκτική οπτική	400G+	10km+	Άνω	Άνω

 

Ενώ η σημαντική πρόοδος έχει σημειωθεί στην κατασκευή υψηλότερων - ταχύτητας VCSEL χρησιμοποιώντας εναλλακτικά υλικά, η επίτευξη ταχύτητας υπερβαίνει σημαντικά τα 10 GB/s, διατηρώντας παράλληλα την αξιοπιστία και την απόδοση παραμένει μια σημαντική πρόκληση.

 

 

Οι περιορισμοί της παραδοσιακής τεχνολογίας VCSEL γίνονται εμφανείς όταν εξετάζονται η απόσταση - περιορισμοί προϊόντων εύρους ζώνης που επιβάλλονται από τη διασπορά των τρόπων. Στα ποσοστά δεδομένων 10 GB/S, η μέγιστη απόσταση επικοινωνίας δεν καλύπτει την κάλυψη ολόκληρων εγκαταστάσεων του κέντρου δεδομένων και αυτό το εύρος κάλυψης μειώνεται ταχέως καθώς αυξάνονται τα ποσοστά δεδομένων. Για να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί και να επιτευχθούν κλίμακες κάλυψης που υπερβαίνουν τα 300 μέτρα σε ταχύτητες 10 GB/s, τα κέντρα δεδομένων έχουν υιοθετήσει όλο και πιο ισχυρά αλλά πιο ακριβή κατανεμημένα ανατροφοδότηση (DFB) λέιζερ σε συνδυασμό με μονή {{6} ουσία λειτουργίας (SMF).

 

Καθώς η βιομηχανία ωθεί τις ταχύτητες του καναλιού από 10 GB/s σε 25 GB/s και πέρα ​​από, τα νέα τεταρτογενικά υλικά όπως το Ingaalas/INP χρησιμοποιούνται σε σχέδια λέιζερ DFB για να παρέχουν ανώτερη υψηλή απόδοση - σε αυξημένες ταχύτητες. Οι καινοτόμες δομές λέιζερ DFB, συμπεριλαμβανομένων των σύντομων σχεδίων κοιλοτήτων και φακών {- ενσωματωμένη επιφάνεια - εκπομπής, έχουν επικυρωθεί για να προσφέρουν υψηλότερο εύρος ζώνης και στενότερο φασματικό πλάτος σε σύγκριση με VCSEL.

 

Η φωτονική του πυριτίου έχει αναδειχθεί ως μετασχηματιστική τεχνολογία στην αντιμετώπιση της ενεργειακής απόδοσης και των προκλήσεων κόστους που συνδέονται με τους παραδοσιακούς III - v σύνθετων οπτικών πομποδέκτη. Παρά την έμμεση ζώνη του πυριτίου που περιορίζει την αποτελεσματικότητά του ως υλικό λέιζερ ημιαγωγών, προσφέρει εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα, διαφάνεια στα παραδοσιακά μήκη κύματος τηλεπικοινωνιών και χαμηλά χαρακτηριστικά θορύβου όταν χρησιμοποιούνται για πολλαπλασιασμό των χιονοστιβάδων λόγω υψηλών ποσοστών ιονισμού σύγκρουσης ηλεκτρονίων/οπών.

 

 

Πρόσφατες ανακαλύψεις σε φωτονικά πυριτίου περιλαμβάνουν υψηλές - φωτοανιέτες γερμανίου, υψηλής - διαμορφωτές πυριτίου ταχύτητας με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας μεταγωγής και εξελίξεις γερμανίου/πυριτίου λέιζερ. Η στενή ενσωμάτωση της ηλεκτρονικής και της φωτονικής που ενεργοποιείται από αυτές τις τεχνολογίες επιτρέπει το υψηλότερο εύρος ζώνης σε χαμηλότερα επίπεδα κατανάλωσης ενέργειας, τοποθετώντας τη φωτονική του πυριτίου ως βασικό παράγοντα για τη βελτίωση της ευελιξίας του κέντρου δεδομένων, της ενεργειακής απόδοσης και της μείωσης του κόστους.

 

 

Τεχνολογίες πολυπλεξίας για κλιμάκωση εύρους ζώνης

---

 

Πολυπλεξία διαστημικής διαίρεσης

 

Η εφαρμογή τεχνικών πολυπλεξίας είναι απαραίτητη για την κλιμάκωση του εύρους ζώνης διασύνδεσης σε σύγχρονες τεχνολογίες διασύνδεσης του κέντρου δεδομένων. Η πολυπλεξία διαστημικής διαίρεσης (SDM) και η πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος (WDM) αξιοποιούν αποτελεσματικά τον παραλληλισμό που είναι εγγενής στις αρχιτεκτονικές υπολογιστών και η εναλλαγή των τσιπς, καθιστώντας τους τις δύο πιο ευρέως αναπτυγμένες τεχνολογίες πολυπλεξίας σε περιβάλλοντα κέντρων δεδομένων.

 

Σύγκριση τεχνικών πολυπλεξίας

 

Η απλούστερη προσέγγιση για την αύξηση του εύρους ζώνης μέσω του SDM συνεπάγεται την αφιερωμένη μεμονωμένες ίνες σε κάθε κανάλι, με συστοιχίες λέιζερ και φωτοανιχνευτή που αναπτύσσονται και στα δύο τελικά σημεία. Οι παράλληλοι οπτικοί πομποδέκτες που χρησιμοποιούν συνδέσμους ινών κορδέλας και MPO έχουν αναπτυχθεί ευρέως στο κέντρο δεδομένων και τα υψηλά περιβάλλοντα υπολογιστών απόδοσης.

 

Πέρα από τις παραδοσιακές υλοποιήσεις καλωδίων παράλληλης κορδέλας, η τεχνολογία Multi - πυρήνα (MCF) που αναπτύχθηκε αρχικά για μακρά - τηλεπικοινωνίες απόστασης έχει αποκτήσει προσοχή στις εφαρμογές του κέντρου δεδομένων. Η τεχνολογία MCF επιτρέπει σε πολλαπλούς πυρήνες να μοιράζονται μία μόνο επένδυση μέσα σε μία ίνα και μέσω της χρήσης συζεύκων σχάρας, το MCF μπορεί να συνδεθεί απευθείας με συστοιχίες λέιζερ και φωτοανιχνευτή χρησιμοποιώντας συμβατικούς συνδέσμους LC. Αυτή η προσέγγιση βελτιώνει σημαντικά την πυκνότητα διασύνδεσης επιτρέποντας περισσότερους πυρήνες (και επομένως περισσότερο εύρος ζώνης) μέσα σε ένα μόνο καλώδιο.

 

Πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος

 

Η τεχνολογία WDM, η οποία έχει αναπτυχθεί εκτενώς στο μετρό και το μακρύ - δίκτυα μεταφοράς μεταφοράς τις τελευταίες δεκαετίες, εξελίσσεται τώρα για να αντιμετωπίσει τις μοναδικές απαιτήσεις των σύντομων τεχνολογιών {}} detail data center Interconnect. Η υιοθέτηση του WDM σε περιβάλλοντα του κέντρου δεδομένων καθοδηγείται από την ανάγκη μείωσης της καλωδίωσης των γενικών εξόδων, ενώ αυξάνονται συνεχώς το εύρος ζώνης σύνδεσης.

 

 

Η εφαρμογή του WDM στο Data Center Interconnect Technologies πρέπει να αντιμετωπίσει αρκετές κρίσιμες εκτιμήσεις:

 

Σκέψεις υποδομής ινών

---

 

Η επιλογή μεταξύ της μονής - ουσίας Fiber (SMF) και της ίνας πολλαπλών μετατροπών (MMF) αντιπροσωπεύει μια κρίσιμη απόφαση για την εφαρμογή τεχνολογιών διασύνδεσης του κέντρου δεδομένων. Ενώ οι διασυνδέσεις που βασίζονται στο MMF - έχουν παραδοσιακά κυριαρχήσει rack - έως - rack επικοινωνίες σε 10g γραμμικά ποσοστά λόγω των χαμηλών δαπανών πομποδέκτη, οι περιορισμοί του MMF από όρους εύρους ζώνης και εμβέλειας (περίπου 10 gb/s πάνω από μερικές εκατομμύρια) έχουν οδηγήσει σε αυξημένη υιοθέτηση του SMF {}}}}}}}}}}} αποστάσεις.

 

Σύγκριση απόδοσης τύπου ινών

 

Η τεχνολογία SMF προσφέρει αρκετά επιτακτικά πλεονεκτήματα για την ανάπτυξη του κέντρου δεδομένων. Ως ώριμη, χαμηλή - κόστος εμπορική τεχνολογία με απλή δομή, η SMF έχει χρησιμοποιηθεί στη βιομηχανία τηλεπικοινωνιών εδώ και δεκαετίες. Ένα μοναδικό SMF μπορεί να υποστηρίξει δεκάδες σε εκατοντάδες terabits ανά δευτερόλεπτο εύρους ζώνης μέσω της τεχνολογίας WDM, όπου τα ζεύγη πολλαπλών πομποδέκτη λειτουργούν σε διαφορετικά μήκη κύματος εντός της ίδιας ίνας.

 

 

Τα πλεονεκτήματα του SMF - βασισμένες σε τεχνολογίες διασύνδεσης δεδομένων γίνεται όλο και πιο εμφανή καθώς τα κέντρα δεδομένων κλίμακα από 10ge σε 40ge, 100ge και 400ge ταχύτητες. Οι υλοποιήσεις SMF παρέχουν σημαντική εξοικονόμηση κόστους καλωδίων και μείωση του όγκου σε όλες τις γενιές αρχιτεκτονικής δικτύου, προσφέροντας πλεονεκτήματα τόσο στις κεφαλαιακές όσο και στις επιχειρησιακές δαπάνες.

 

Η επεκτασιμότητα του εύρους ζώνης διασύνδεσης ενισχύεται σημαντικά με το SMF, καθώς τα ποσοστά καναλιού μήκους κύματος μπορούν να αυξηθούν εντός των ίδιων ινών αντί να απαιτούν πρόσθετες παράλληλες ίνες όπως στις διασυνδέσεις MMF. Το μέγιστο εύρος διασύνδεσης επεκτείνεται επίσης σημαντικά κατά τη μείωση των απαιτήσεων του χώρου των ινών και του χώρου του πλαισίου.

 

Ενέργεια - αναλογικές οπτικές διασυνδέσεις

---

 

Τα παραδοσιακά δίκτυα ιεραρχικών κέντρων δεδομένων κατανάλωναν σχετικά μικρή ισχύ σε σύγκριση με τους διακομιστές λόγω σύγκλισης υψηλού εύρους ζώνης σε κάθε στρώμα και χαμηλές ποσοστές αξιοποίησης του διακομιστή. Ωστόσο, σε κλίμακα - out αρχιτεκτονικές δικτύου, η σημαντική αύξηση του εύρους ζώνης διχοτόμησης και η βελτιωμένη χρήση του διακομιστή έχουν μετατρέψει την κατανάλωση ισχύος δικτύου από λιγότερο από 12% σε ένα σημαντικό μέρος της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας.

 

Διανομή ισχύος του κέντρου δεδομένων

 

Πέρα από την ανάπτυξη χαμηλών - οπτικών πομποδέκτες, η απόδοση του δικτύου μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω, καθιστώντας την κατανάλωση ενέργειας επικοινωνίας ανάλογη με την ποσότητα των μεταδιδόμενων δεδομένων. Οι σύγχρονες τεχνολογίες διασύνδεσης του Κέντρου Δεδομένων το επιτρέπουν αυτό μέσω δυναμικών δυνατοτήτων δυναμικής εμβέλειας τόσο στην παροχή ισχύος όσο και σε εύρος ζώνης.

 

Οι οπτικές διασυνδέσεις και τα συσχετισμένα υψηλά κυκλώματα - ταχύτητας Serializer/Deserializer (Serdes) παρουσιάζουν μεγάλες δυναμικές περιοχές στην ισχύ και το εύρος ζώνης. Οι εμπορικές μάρκες μεταγωγής μπορούν να ρυθμίσουν με μη αυτόματο τρόπο τους ρυθμούς δεδομένων συνδέσμων σε πολλαπλά κανάλια, με κάθε κανάλι ικανό να λειτουργεί σε ταχύτητες έως 10 GB/s. Αυτή η ευελιξία επιτρέπει τη δυναμική περιοχή 64% στην κατανάλωση ενέργειας και την απόδοση 16 × σε απόδοση, επιτρέποντας την ενεργοποίηση και τη λειτουργία λιγότερων καναλιών με χαμηλότερους ρυθμούς δεδομένων για τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος της οπτικής σύνδεσης.

Τόσο το Infiniband όσο και το Ethernet Protocols υποστηρίζουν τη διαμόρφωση συνδέσμου σε καθορισμένες ταχύτητες και πλάτη, με χρόνους επανενεργοποίησης συνδέσμου που κυμαίνονται από νανοδευτερόλεπτα έως μικροδευτερόλεπτα. Όταν οι ρυθμοί συνδέσμου μεταβάλλονται μεταξύ 10 GB/S, 20 GB/S και 40 GB/S με τα τέσσερα κανάλια ενεργά, το τσιπ απλώς ρυθμίζει το εύρος ζώνης ανάκτησης ρολογιών λήψης (CDR) και το RE - κλειδώνει το CDR. Δεδομένου ότι οι περισσότερες σύγχρονες υλοποιήσεις Serdes χρησιμοποιούν ψηφιακό CDR στη διαδρομή λήψης, η διαδικασία κλειδώματος για διαφορετικούς ρυθμούς δεδομένων είναι ταχεία, συνήθως ολοκληρώνεται εντός 50 νανοσενσυκλικών υπό κανονικές συνθήκες και 100 νανοδευτερόλεπτα στα χειρότερα σενάρια -.

 

 

Προηγμένη διαμόρφωση και επεξεργασία σήματος

---

 

Ενώ η πολυπλεξία διαίρεσης χώρου και μήκους κύματος αντιπροσωπεύει τις πρωταρχικές προσεγγίσεις για την κλιμάκωση του εύρους ζώνης στις τεχνολογίες διασύνδεσης του κέντρου δεδομένων, άλλες τεχνικές όπως η ενιαία ορθογώνια διαίρεση συχνοτήτων (o - OFDM) και η πολλαπλή μορφή διαμόρφωσης ή οι προχωρημένες μορφές διαμόρφωσης μπορούν να επεκτείνουν την ενιαία- fibreth και την ικανότητα. However, these methods require rate conversion modules for signal encoding, along with ASIC chips for digital signal processing (DSP) and analog-to-digital/digital-to-analog converters, resulting in significant power penalties that may be cost-prohibitive for data center applications.

 

 

Το εμπόριο - offs μεταξύ της φασματικής απόδοσης, της κατανάλωσης ενέργειας, της ποικιλομορφίας των διαδρομών και της πολυπλοκότητας της καλωδίωσης συνεχίζει να επηρεάζει το σχεδιασμό τεχνολογιών διασύνδεσης του κέντρου δεδομένων. Για τα ενδοεπιχειρησιακά δίκτυα κτιρίων, οι τοπολογίες πλέγματος με πλούσια συνδεσιμότητα είναι επιθυμητές, επιτρέποντας κάποια θυσία στη φασματική απόδοση για να επιτευχθεί χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, μειωμένο κόστος πομποδέκτη και πλουσιότερες δομές δικτύου. Ωστόσο, σε υψηλότερα στρώματα συσσωμάτωσης ή σε inter - δίκτυα κτιρίων όπου το εύρος ζώνης επικεντρώνεται στο σημείο - έως - συνδέσεις σημείων και η ανάπτυξη σκοτεινών ινών είναι δαπανηρή, η πυκνή πολλαπλασιασμός διαίρεσης κύματος (DWDM) με την υψηλότερη φασματική απόδοση γίνεται το προτιμώμενο διάλυμα.

 

 

Προκλήσεις ενσωμάτωσης και συσκευασίας

---

 

Η επιτυχής ανάπτυξη του επόμενου - γενιάς Data Center Interconnect Technologies εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την υπέρβαση διαφόρων προκλήσεων συσκευασίας και ολοκλήρωσης. Καθώς τα ποσοστά εσωτερικών επικοινωνιών αυξάνονται πέραν των 10 GB/s, τα παραδοσιακά καλώδια χαλκού αντικαθίστανται από οπτικά συστατικά λόγω της ογκώδους φύσης, της υψηλής κατανάλωσης ενέργειας και των σημαντικών απώλειων παθητικών και ενεργών καλωδίων χαλκού με υψηλά ποσοστά δεδομένων, περιορίζοντας τη χρήση τους σε κλίμακα μόλις λίγων μέτρων.

 

 

Η υιοθέτηση των λύσεων οπτικής συσκευασίας IC - τύπου, όπως η τεχνολογία Peak Peak, υπόσχεται να φέρει επανάσταση στη σύνδεση του κέντρου δεδομένων μέσω χαμηλής - κόστους, σύντομης - οπτικών συσκευών απόστασης. Τα επόμενα χρόνια θα παρακολουθήσουν την εμπορευματοποίηση καρτών διεπαφής δικτύου (NICS) με χαμηλό - κόστος N × 10G οπτικές διεπαφές. Επιπλέον, η εναλλαγή τσιπ θα ενσωματώσει τη φυσική υποστήριξη PHY για σειριακές διεπαφές 10G, μειώνοντας περαιτέρω το κόστος και την κατανάλωση ενέργειας.

 

Η ενσωμάτωση της φωτονικής με ηλεκτρονικά αντιπροσωπεύει ένα κρίσιμο ορόσημο στην προώθηση των τεχνολογιών διασύνδεσης του κέντρου δεδομένων. Η σφιχτή σύζευξη μεταξύ ηλεκτρονικών και φωτονικών εξαρτημάτων επιτρέπει υψηλότερο εύρος ζώνης σε χαμηλότερα επίπεδα κατανάλωσης ενέργειας, ενώ οι CMOs - συμβατές διαδικασίες παραγωγής υπόσχονται να μειώσουν το κόστος μέσω των οικονομιών κλίμακας. Ωστόσο, η πραγματοποίηση αυτών των παροχών απαιτεί την αντιμετώπιση πολυάριθμων προκλήσεων που σχετίζονται με τη θερμική διαχείριση, την πυκνότητα συσκευασίας και την απόδοση κατασκευής.