מהו טכנולוגיות חיבור מרכזיות של מרכז נתונים

ההתפתחות של חיבור אופטי במרכזי נתונים מודרניים

 

 

 

ההתפתחות של חיבור אופטי בסולם - מרכזי נתונים

---

 

סיבים אופטיים התגלו כמדיום החיבור העיקרי לתקשורת של מרכז נתונים, וממלא תפקיד חיוני בהעברת נתונים על פני סולמות שונים. המעבר מפתרונות מבוססי נחושת - לחיבורים אופטיים מייצג שינוי מהותי באופן בו מרכזי נתונים מודרניים ניגשים לאתגרים של תקשורת מהירות גבוהה {}}}.

 

 

המעבר מנחושת (משמאל) לסיבים אופטיים (מימין) חולל מהפכה בקישוריות של מרכז הנתונים בכך שהיא מאפשרת מהירויות גבוהות יותר למרחקים ארוכים יותר עם צריכת חשמל נמוכה יותר.

 

טכנולוגיות אופטיות מתפתחות שונות הפכו אלטרנטיבות בר -קיימא להתמודדות עם האתגרים הטכניים העומדים בפני רשתות במהלך קנה מידה אופקי, תוך שיפור משמעותי של הביצועים והיעילות של פריסות מרכז נתונים גדולות -.

 

העתיד של טכנולוגיות הקשר של מרכז הנתונים מקיף שילוב מקיף של משרדי ריבוי חלוקת אורך גל (WDM) כאבני בניין מודולריות בתשתית מרכז הנתונים. בארכיטקטורות מתקדמות, משדרים אופטיים מקבילים מסורתיים המחברים בין תרמילים וקישור תרמילים למתגי ליבה מוחלפים במשדרים משולבים WDM הפועלים במהירויות של 40 גרם, 100 גרם ו -400 גרם.

 

 

אבולוציה של מהירויות חיבור של מרכז נתונים

 

התפתחות טכנולוגית זו מאפשרת צבירה של כל התעלות החשמליות עם אותו יעד באמצעות סיב יחיד, ומפחיתה באופן דרמטי את המורכבות של תשתיות סיבים תוך שמירה על יכולת רוחב פס גבוהה. כדי לייעל את צריכת החשמל בארכיטקטורות מתקדמות אלה, ניתן להתאים באופן דינמי את רוחב הפס הקשר בין תרמילים כך שיתאים לדרישות רוחב הפס הנדרשות. גישה אדפטיבית זו להקצאת רוחב פס מייצגת התקדמות משמעותית בטכנולוגיות חיבור בין מרכז נתונים, ומאפשרת ניצול יעיל יותר של משאבים והפחתת עלויות התפעול.

 

 

גבוה - מהירות טכנולוגיות ורכיבים אופטיים מהירות

---

 

חידושים VCSEL, DFB ו- Silicon Photonics

 

פיתוח רכיבים אופטיים מהירות- רכיבים אופטיים מהירות סייע לקידום טכנולוגיות חיבור מרכזיות של מרכז נתונים. כוח נמוך - כוח, נמוך - עלות לייזרים של פני שטח חלל אנכיים (VCSELS) בשילוב סיבי מולטימווד (MMF) מילאו תפקיד מכריע בהפעלת שיעורי תקשורת של 10 ג'יגה -בייט/ש 'במרכזי נתונים.

 

טֶכנוֹלוֹגִיָה	מְהִירוּת	מֶרְחָק	צריכת חשמל	עֲלוּת
VCSEL + MMF	עד 25 ג'יגה -בייט/שניות	עד 100 מ '	נָמוּך	נָמוּך
DFB + SMF	עד 100 ג'יגה -בייט/שניות	עד 2 ק"מ	בֵּינוֹנִי	בֵּינוֹנִי
פוטוניקה סיליקון	עד 400 ג'יגה -בייט/שניות	עד 10 ק"מ	נמוך - בינוני	פּוֹחֵת
אופטיקה קוהרנטית	400G+	10 ק"מ+	גבוה יותר	גבוה יותר

 

אמנם התקדמות משמעותית נעשתה בייצור גבוה יותר - מהירות VCSELS באמצעות חומרים אלטרנטיביים, אך השגת מהירויות עולה על 10 ג'יגה -בייט/שניות תוך שמירה על אמינות ותשואה נותרה אתגר ניכר.

 

 

המגבלות של טכנולוגיית VCSEL מסורתית מתבררות כאשר שוקלים את המרחק - אילוצי מוצרי רוחב הפס המוטלים על ידי פיזור מודאלי. בשיעורי נתונים של 10 ג'יגה -בייט/שניות, מרחק התקשורת המרבי לא נותר בכיסוי מתקני מרכז נתונים שלמים, וטווח הכיסוי הזה יורד במהירות ככל שיעורי הנתונים עולים. כדי להתגבר על מגבלות אלה ולהשיג טווחי כיסוי העולים על 300 מטר במהירויות של 10 ג'יגה -בייט/שניות, מרכזי נתונים אימצו יותר ויותר לייזרי משוב מבוזרים יותר ועם זאת יקרים יותר (DFB) בשילוב עם סיבי מצב יחיד {}} (SMF).

 

מכיוון שהתעשייה דוחפת מהירויות ערוץ מ -10 ג'יגה -בייט/שניות ל 25 ג'יגה -בייט/שניות ומעבר לה, חומרים רבעוניים חדשים כמו Ingaalas/INP מועסקים במייצעי לייזר DFB כדי לספק ביצועים גבוהים {}}} מהירויות גבוהות. מבני לייזר DFB חדשניים, כולל עיצובים קצרים - חלל ועדשה - משטח משולב - תצורות פולטות, אושרו כדי להציע רוחב פס גבוה יותר של מכשירים ורוחב ספקטרלי צר יותר בהשוואה ל- VCSELS.

 

סיליקון פוטוניקס התגלתה כטכנולוגיה טרנספורמטיבית בטיפול ביעילות האנרגיה ובאתגרי העלות הקשורים למסורת III - V משדרים אופטיים מוליכים למחצה מוליכים למחצה. למרות שהפס העקיף של הסיליקון מגביל את יעילותו כחומר לייזר מוליך למחצה, הוא מציע מוליכות תרמית מעולה, שקיפות באורכי גל מסורתיים של טלקומוניקציה, ומאפייני רעש נמוכים כאשר משתמשים בהם לכפל מפולת עקב שיעורי מיינון התנגשות אלקטרונים/חור גבוהים.

 

 

פריצות דרך אחרונות בפוטוניקה של סיליקון כוללות - יעילות פוטו -גלאי גרמניום, {}- מודולי סיליקון מהירות עם צריכת אנרגיה מיתוג מינימלית ופיתוחים לייזר גרמניום/סיליקון. השילוב הדוק של אלקטרוניקה ופוטוניקה המאפשרת על ידי טכנולוגיות אלה מאפשר רוחב פס גבוה יותר ברמות צריכת חשמל נמוכות יותר, ומיקום פוטוניקה של סיליקון כמאפשר מפתח לשיפור הגמישות של מרכז הנתונים, יעילות האנרגיה והפחתת עלויות.

 

 

טכנולוגיות ריבוי לקנה מידה רוחב פס

---

 

ריבוי חלוקת שטח

 

יישום טכניקות ריבוי ריבוי חיוני לקנה מידה של רוחב פס חיבורי חיבור בטכנולוגיות חיבוריות מודרניות של מרכז נתונים. ריבוי חלוקת חלל (SDM) ומולטיביות של חלוקת גל (WDM) ממנפים ביעילות את ההקבלה הטמונה בארכיטקטורות מחשב והחלפת שבבים, מה שהופך אותם לשתי טכנולוגיות המרביות המפורסמות ביותר בסביבות מרכז הנתונים.

 

השוואה בין טכניקות ריבוי

 

הגישה הפשוטה ביותר להגדלת רוחב הפס באמצעות SDM כרוכה בהקדמת סיבים בודדים לכל ערוץ, כאשר מערכי לייזר ופוטו -גלאי פרוסים בשתי נקודות הקצה. משדרים אופטיים מקבילים המשתמשים בסיבי סרט ומחברי MPO נפרסו באופן נרחב במרכז הנתונים ובסביבות מחשוב ביצועים גבוהות {}}}.

 

מעבר ליישומי כבל סרט מקביל מסורתי, טכנולוגיית Multi - סיבי ליבה (MCF) שפותחה במקור עבור ארוך- טלקומוניקציה מרחוק זכה לתשומת לב ביישומי מרכז נתונים. טכנולוגיית MCF מאפשרת לליבות מרובות לשתף חיפוי בודד בתוך סיב בודד, ובאמצעות שימוש במצמדי צורנים, MCF ניתן לחבר ישירות למערכי לייזר ופוטו -גלאי באמצעות מחברי LC קונבנציונליים. גישה זו משפרת משמעותית את צפיפות החיבורים על ידי הפעלת ליבות רבות יותר (וכך רוחב פס יותר) בתוך כבל יחיד.

 

ריבוי חלוקת אורך גל

 

טכנולוגיית WDM, שנפרסה בהרחבה במטרו וברשתות העברה ארוכות {}}} בעשורים האחרונים, מתפתחת כעת כדי להתייחס לדרישות הייחודיות של קצרות {}}} טכנולוגיות מחוברות למרכז מרחק. אימוץ WDM בסביבות מרכז הנתונים מונע על ידי הצורך להפחית את תקורה של כבלים תוך הגדלת רוחב פס קישורים ברציפות.

 

 

על יישום WDM בטכנולוגיות חיבור מרכזיות של מרכז נתונים להתייחס למספר שיקולים קריטיים:

 

שיקולי תשתית סיבים

---

 

הבחירה בין סיבי מצב יחיד - סיבי מצב (SMF) לבין סיבי multimode (MMF) מייצגת החלטה קריטית ביישום טכנולוגיות חיבור מרכזיות של מרכז נתונים. בעוד ש- MMF - חיבורים מבוססים שלטו באופן מסורתי ב- RACK - כדי - תקשורת מתלה בשיעורי קו 10G בגלל עלויות משדר נמוך, המגבלות של MMF מבחינת הרוחב והגדילה (כ- 10 gb/s מעל כמה מאות מטרים) הובילו את האימוץ (7 upt out (uptor intor (korcors intor (korcors ortipt intort (intort intor (korcort intor (intort (kortor intor (intort. מרחקים.

 

השוואת ביצועים מסוג סיבים

 

SMF Technology מציעה מספר יתרונות משכנעים לפריסות מרכז נתונים. כטכנולוגיה מסחרית בוגרת, נמוכה - עלות מסחרית עם מבנה פשוט, SMF משמש בתעשיית התקשורת במשך עשרות שנים. SMF יחיד יכול לתמוך בעשרות למאות טרביטים לשנייה של רוחב הפס באמצעות טכנולוגיית WDM, שם זוגות משדרים מרובים פועלים באורכי גל שונים באותו סיב.

 

 

היתרונות של SMF - מרכז נתונים מבוסס טכנולוגיות חיבוריות מתגלות יותר ויותר ככל שמרכזי נתונים מסודרים מהמהירויות של 10GE ל- 40GE, 100GE ו- 400GE. יישומי SMF מספקים חיסכון משמעותי בעלויות הכבלים והפחתת נפח בכל דורות ארכיטקטורת הרשת, ומציעים יתרונות הן בהוצאות הון והן בהוצאות תפעוליות.

 

המדרגיות של רוחב הפס של חיבורים משופרת מאוד עם SMF, מכיוון שניתן להגדיל את שיעורי הערוץ באורך הגל באותו סיב ולא לדרוש סיבים מקבילים נוספים כמו בחיבורי MMF. טווח החיבור המקסימלי מורחב גם הוא באופן משמעותי תוך הפחתת דרישות ספירת הסיבים והדרישות לשטח של לוח התיקון.

 

אנרגיה - חיבורים אופטיים פרופורציונליים

---

 

רשתות מרכז נתונים היררכיות מסורתיות צרכו כוח מועט יחסית בהשוואה לשרתים בגלל התכנסות רוחב פס גבוהה בכל שכבה ושיעורי ניצול שרת נמוכים. עם זאת, בקנה מידה - ארכיטקטורות רשת, העלייה המהותית ברוחב הפס של חזה ובניצול השרתים המשופרים שינו את צריכת החשמל של הרשת מפחות מ- 12% לחלק משמעותי מצריכת הכוח הכוללת של מרכז הנתונים.

 

חלוקת הכוח של מרכז הנתונים

 

מעבר לפריסת נמוך - משדרים אופטיים של כוח, ניתן לשפר עוד יותר את יעילות הרשת על ידי הפיכת צריכת אנרגיה תקשורתית ליחס לכמות הנתונים המועברים. טכנולוגיות חיבוריות מודרניות של מרכז נתונים מאפשרות זאת באמצעות יכולות טווח דינאמיות הן במשלוח הרוחב והן במשלוח רוחב פס.

 

חיבורים אופטיים ומעגלים גבוהים - Sedializer/Deserializer (Serdes) מציגים טווחים דינמיים גדולים בעוצמה ורוחב פס. שבבי מיתוג מסחריים יכולים להתאים ידנית את שיעורי נתוני הקישור בין ערוצים מרובים, כאשר כל ערוץ מסוגל לפעול במהירות של עד 10 ג'יגה -בייט/שניות. גמישות זו מאפשרת טווח דינאמי של 64% בצריכת חשמל וביצועים של 16 ×, ומאפשר להפעיל ולהפעיל פחות ערוצים בשיעורי נתונים נמוכים יותר כדי להפחית את צריכת החשמל של קישור אופטי.

שניהם פרוטוקולי Infiniband וגם Ethernet תומכים בתצורת קישור במהירויות ורוחבים שצוינו, כאשר זמני הפעלה מחדש של קישור נעים בין ננו -שניות למיקרו -שניות. כאשר שיעורי הקישורים משתנים בין 10 ג'יגה -בייט/שניות, 20 ג'יגה -בייט/ש 'ו- 40 ג'יגה -בייט/ש' כאשר כל ארבעת הערוצים פעילים, השבב פשוט מתאים את רוחב השחזור של נתוני השעון (CDR) ו- Re - נועל את ה- CDR. מכיוון שרוב יישומי ה- SERDES המודרניים משתמשים ב- CDR דיגיטלי בנתיב הקבלה, תהליך הנעילה עבור שיעורי נתונים שונים הוא מהיר, בדרך כלל משלים בתוך 50 ננו -שניות בתנאים רגילים ו -100 ננו -שניות בתרחישים המקרים הגרועים {}}.

 

 

אפנון מתקדם ועיבוד אותות

---

 

בעוד שמרבבים מרחבי חלל וחטיבת אורך גל מייצגים את הגישות העיקריות לקנה מידה של רוחב פס בטכנולוגיות חיבור של מרכז נתונים, טכניקות אחרות כגון חלוקת תדרים אורתוגונליים אופטיים (O - OFDM) ורב {1} רמה או מתקדמים מתבצרים יכולים להרחיב עוד יותר את הקיבולת {}}}. עם זאת, שיטות אלה דורשות מודולי המרה של קצב לקידוד אות, יחד עם שבבי ASIC לעיבוד אותות דיגיטליים (DSP) ואנלוגי - ל- - דיגיטלי/דיגיטלי {}}} עד {}} אנלוגי, הנובעים מעונש כוח משמעותי שהן יכולות להיות {}}}.

 

 

הסחר - Offs בין יעילות ספקטרלית, צריכת חשמל, גיוון נתיבים ומורכבות כבלים ממשיכים להשפיע על התכנון של טכנולוגיות חיבור מרכזיות של מרכז נתונים. עבור רשתות בנייה intra-, טופולוגיות רשת עם קישוריות עשירה רצויות, ומאפשרות הקרבה מסוימת ביעילות הספקטרלית להשגת צריכת חשמל נמוכה יותר, עלויות משדר מופחתות ומבני רשת עשירים יותר. עם זאת, בשכבות צבירה גבוהות יותר או באינטר - רשתות בנייה בהן רוחב הפס מרוכז בנקודה - עד - קישורי נקודה ופריסה של סיבים כהים הם יקרים, חלוקת אורך צפופה (DWDM) עם יעילות ספקטרלית גבוהה יותר הופכת לפיתרון מועדף.

 

 

אתגרי שילוב ואריזה

---

 

הפריסה המוצלחת של Technologies Next - Decontente Center Technologies תלויה מאוד בהתגברות על אתגרי אריזה ואינטגרציה שונים. כאשר Rack - שיעורי התקשורת הפנימיים גדלים מעבר ל -10 ג'יגה -בייט/שניות, כבלי נחושת מסורתיים מוחלפים על ידי רכיבים אופטיים בגלל האופי המגושם, צריכת חשמל גבוהה, והפסדים משמעותיים של כבלים נחושת פסיביים ופעילים בשיעורי נתונים גבוהים, מה שמגביל את השימוש שלהם לרווחים של כמה מטרים בלבד.

 

 

אימוץ IC - סוג פתרונות אריזה אופטיים, כגון טכנולוגיית שיא אור, מבטיח לחולל מהפכה בקישוריות מרכז הנתונים באמצעות עלות נמוכה {}}, קצרה {}}} מכשירים אופטיים מרחוק. השנים הבאות יהיו עדים למסחור של כרטיסי ממשק רשת (NICS) הכוללים ממשקים אופטיים נמוכים {}}} עלות N × 10G. בנוסף, החלפת שבבים תשלב תמיכה מקורית של PHY בממשקים טוריים של 10 גרם, מה שמפחית עוד יותר את העלויות וצריכת החשמל.

 

שילוב הפוטוניקה עם האלקטרוניקה מייצג אבן דרך קריטית בקידום טכנולוגיות חיבור של מרכז נתונים. צימוד הדוק בין רכיבים אלקטרוניים ופוטוניים מאפשר רוחב פס גבוה יותר ברמות צריכת חשמל נמוכות יותר, ואילו CMOS - תהליכי ייצור תואמים מבטיחים להפחית עלויות באמצעות יתרונות גודל. עם זאת, מימוש יתרונות אלה מחייב להתמודד עם אתגרים רבים הקשורים לניהול תרמי, צפיפות אריזה ותשואת ייצור.