Abstract: Dr. Radha Nagarajan von Inphi Corp freut sich über die Errungenschaften der Technologiebranche im Jahr 2018 und ist begeistert von den unbegrenzten Möglichkeiten, die 2019 mit sich bringen, einschließlich des Marktes für Hochgeschwindigkeits-Rechenzentrumsverbindungen (DCI). Die geografische Aufteilung von Rechenzentren wird häufiger vorkommen. Das Rechenzentrum wird weiter wachsen. Siliziumphotonik und CMOS werden den Kern der Entwicklung optischer Module bilden.
ICCSZ-Nachrichten. Da wir alle wissen, dass die Technologiebranche im Jahr 2018 viele außergewöhnliche Errungenschaften gemacht hat und es 2019 verschiedene unendliche Möglichkeiten geben wird, hat es lange auf sich warten lassen. Dr. Radha Nagarajan, Chief Technology Officer von Inphi glaubt, dass sich die High-Speed Data Center Interconnection (DCI) als einer der Sektoren der Technologieindustrie auch 2019 ändern wird. Hier sind drei Dinge, die er für dieses Jahr im Rechenzentrum erwartet.
1. Die geografische Zerlegung von Rechenzentren wird häufiger
Der Verbrauch des Rechenzentrums erfordert eine beträchtliche Unterstützung des physischen Speicherplatzes, einschließlich der Infrastruktur wie Stromversorgung und Kühlung. Die geografische Aufteilung von Rechenzentren wird immer häufiger vorkommen, da es immer schwieriger wird, einzelne, große, kontinuierliche große Rechenzentren aufzubauen. In Ballungsräumen mit hohen Grundstückspreisen ist die Zersetzung von entscheidender Bedeutung. Verbindungen mit hoher Bandbreite sind entscheidend für die Verbindung dieser Rechenzentren.
DCI-Campus: Diese Rechenzentren sind oft miteinander verbunden, beispielsweise auf dem Campus. Die Entfernungen sind in der Regel auf 2 bis 5 km begrenzt. Je nach Verfügbarkeit von Glasfaser überschneiden sich die Distanzen auch auf den CWDM- und DWDM-Links.
DCI-Edge: Diese Verbindungsart reicht von 2 km bis 120 km. Diese Verbindungen sind hauptsächlich mit den verteilten Rechenzentren in der Umgebung verbunden und unterliegen in der Regel Latenzbeschränkungen. Zu den optischen DCI-Technologieoptionen gehören Direkterkennung und Kohärenz, beide werden unter Verwendung des DWDM-Übertragungsformats im Glasfaser-C-Band (Fenster von 192 THz bis 196 THz) implementiert. Das Modulationsformat mit direkter Detektion ist mit einem einfacheren Detektionsschema amplitudenmoduliert, verbraucht weniger Energie und geringere Kosten und erfordert in den meisten Fällen eine externe Dispersionskompensation. Für 100 Gbit/s, 4-Stufen-Puls-Amplituden-Modulation (PAM4) ist das Direkterkennungsformat eine kostengünstige Methode für DCI-Edge-Anwendungen. Die Kapazität des PAM4-Modulationsformats ist doppelt so hoch wie die des traditionellen Non-Return-to-Zero (NRZ)-Modulationsformats. Für die nächste Generation von 400-Gbit/s (pro Wellenlänge) DCI-Systemen sind kohärente Formate mit 60 Gbaud und 16 QAM die führenden Wettbewerber.
DCI-Metro / Long Haul: Diese Kategorie von Glasfasern jenseits von DCI-Edge mit 3,000 Kilometern Bodenverbindungen und längerem Meeresboden. Für diese Kategorie wird ein kohärentes Modulationsformat verwendet, und der Modulationstyp kann für verschiedene Entfernungen unterschiedlich sein. Das kohärente Modulationsformat ist auch Amplituden- und Phasenmodulation, die eine Detektion durch einen Lokaloszillator-Laser erfordert. Es erfordert eine komplexe digitale Signalverarbeitung, verbraucht mehr Strom, hat eine größere Reichweite und ist teurer als direkte Detektions- oder NRZ-Verfahren.
2. Das Rechenzentrum wird sich weiterentwickeln
Verbindungen mit hoher Bandbreite sind entscheidend für die Verbindung dieser Rechenzentren. Daher werden die Rechenzentren DCI-Campus, DCI-Edge und DCI-Metro / Long Haul weiter wachsen.
In den letzten Jahren ist die DCI-Domäne zunehmend in den Fokus traditioneller DWDM-Systemanbieter gerückt. Wachsender Bandbreitenbedarf von Cloud Service Providern (CSPS), die Software as a Service (SaaS), Platform as a Service (PaaS) und Infrastruktur anbieten as a Service (IaaS)-Fähigkeiten steigern die Nachfrage nach optischen Systemen, die Switches und Router ohne unterschiedliche Schichten des CSP-Rechenzentrumsnetzwerks verbinden. Heutzutage muss dies mit 100 Gbit/s laufen, und innerhalb eines Rechenzentrums kann die Verkabelung mit Im Rechenzentrum können direkte Kupferkabel (DAC), aktive optische Kabel (AOC) oder 100G „graue“ Optiken verwendet werden. Für die Anbindung von Rechenzentrumseinrichtungen (Campus- oder Edge-/Metropolitan-Anwendungen) war bis vor kurzem nur ein voll funktionsfähiger, kohärenter transponderbasierter Ansatz verfügbar, die Methoden sind suboptimal.
Mit dem Übergang zum 100G-Ökosystem hat sich die Netzwerkarchitektur des Rechenzentrums von einem traditionelleren Rechenzentrumsmodell verlagert, bei dem sich alle Rechenzentrumseinrichtungen in einem einzigen großen „großen Rechenzentrumspark“ befinden. Die meisten CSPs wurden in verteilte regionale Architekturen integriert, um die erforderliche Skalierung zu erreichen und Cloud-Dienste hochverfügbar bereitzustellen. Rechenzentrumsbereiche befinden sich oft in der Nähe von Ballungsräumen mit hoher Bevölkerungsdichte, um den Endkunden in der Nähe dieser Gebiete den besten Service (in Bezug auf Latenz und Verfügbarkeit) zu bieten. Die regionale Architektur unterscheidet sich geringfügig zwischen CSPs, besteht jedoch aus redundanten regionalen „Gateways“ oder „Hubs“, die mit dem Wide Area Network (WAN)-Backbone des CSP verbunden sind (und für Peer-to-Peer, lokale Inhaltsübertragung oder Untersee-Übertragung verwendet werden können). Übertragung). Jedes regionale Gateway ist mit jedem Rechenzentrum in der Region verbunden, in dem sich die Rechen-/Speicherserver und Supportstrukturen befinden. Da das Gebiet erweitert werden muss, ist es einfach, zusätzliche Einrichtungen zu kaufen und sie an das regionale Gateway anzuschließen. Im Vergleich zu den relativ hohen Kosten und der langen Bauzeit für den Bau eines neuen großen Rechenzentrums ermöglicht dies eine schnelle Erweiterung und Vergrößerung des Gebiets mit den zusätzlichen Vorteilen der Einführung des Konzepts verschiedener Verfügbarkeitszonen (AZ) innerhalb eines bestimmten Gebiets .
Der Übergang von großen Rechenzentrumsarchitekturen zu Regionen bringt zusätzliche Einschränkungen mit sich, die bei der Auswahl eines Gateway- und Rechenzentrumsstandorts berücksichtigt werden müssen. Um beispielsweise die gleiche Kundenerfahrung (aus der Latenzperspektive) zu gewährleisten, muss die maximale Entfernung zwischen zwei beliebigen Rechenzentren (über ein öffentliches Gateway) begrenzt werden. Eine weitere Überlegung ist, dass das graue optische System zu ineffizient ist, um physisch unterschiedliche Rechenzentrumsgebäude innerhalb desselben geografischen Gebiets miteinander zu verbinden. Angesichts dieser Faktoren sind die heutigen kohärenten Plattformen nicht für DCI-Anwendungen geeignet.
Das Modulationsformat PAM4 bietet geringen Stromverbrauch, geringen Platzbedarf und direkte Erkennungsoptionen. Unter Verwendung von Siliziumphotonik wurde ein Dual-Carrier-Transceiver mit anwendungsspezifischem integriertem Schaltkreis (ASIC) PAM4 entwickelt, der einen digitalen Signalprozessor (DSP) und eine Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) integriert und in den QSFP28-Formfaktor verpackt. Das resultierende schaltbare steckbare Modul kann eine DWDM-Übertragung über eine typische DCI-Verbindung durchführen, jedes Faserpaar hat 4 Tbit/s und der Stromverbrauch pro 100 G beträgt 4.5 W.
3. Siliziumphotonik und CMOS werden das Herzstück der Entwicklung optischer Module sein
Die Kombination von Siliziumphotonik für hochintegrierte optische Elemente und komplementärem Hochgeschwindigkeits-Silizium-Metalloxid-Halbleiter (CMOS) für die Signalverarbeitung wird eine Rolle bei der Entwicklung kostengünstiger, stromsparender, schaltbarer steckbarer optischer Module spielen.
Der hochintegrierte Silizium-Photonik-Chip ist das Herzstück des steckbaren Moduls. Im Vergleich zu Indiumphosphid können Silizium-CMOS-Plattformen auf Wafer-Level-Optiken mit größeren 200 mm und 300 mm Wafergrößen zugreifen. Photodetektoren mit Wellenlängen von 1300 nm und 1500 nm wurden durch Hinzufügen von Germanium-Epitaxie auf einer Standard-Silizium-CMOS-Plattform konstruiert. Darüber hinaus können Komponenten auf Basis von Siliziumdioxid und Siliziumnitrid integriert werden, um kontrastarme und temperaturunempfindliche optische Komponenten zu erzeugen.
In Abbildung 2 enthält der Ausgangspfad des photonischen Siliziumchips ein Paar Wanderwellen-Mach-Zehnder-Modulatoren (MZM), einen für jede Wellenlänge. Die beiden Wellenlängenausgänge werden auf einem Chip mit integriertem 2:1-Interleaver kombiniert, der als DWDM-Multiplexer verwendet wird. Das gleiche Silizium-MZM kann für NRZ- und PAM4-Modulationsformate mit unterschiedlichen Ansteuersignalen verwendet werden.
Da die Bandbreitenanforderungen von Rechenzentrumsnetzwerken weiter wachsen, erfordert das Mooresche Gesetz die Weiterentwicklung von Switching-Chips, die es Switch- und Router-Plattformen ermöglichen, die Switch-Chip-Basisparität beizubehalten und gleichzeitig die Kapazität jedes Ports zu erhöhen. Die nächste Generation von Switching-Chips ist für 400G pro Port-Funktion ausgelegt. Im Optical Internet Forum (OIF) wurde ein Projekt namens 400ZR gestartet, um die nächste Generation optischer DCI-Module zu standardisieren und ein vielfältiges optisches Ökosystem des Anbieters zu schaffen. Dieses Konzept ähnelt WDM PAM4, wurde jedoch erweitert, um 400-Gbit/s-Anforderungen zu unterstützen.