Що таке технології взаємозв'язку центру обробки даних
Sep 02, 2025| Еволюція оптичного взаємозв'язку в сучасних центрах обробки даних
Експоненціальне зростання хмарних обчислень, аналітики великих даних та розподілених додатків принципово трансформував ландшафт сучасних центрів обробки даних. В основі цієї трансформації лежить вирішальна роль технологій взаємозв'язку центру обробки даних, які служать основою для забезпечення високої - продуктивності, масштабованої та енергії - Ефективна комунікація всередині та між об'єктами центру обробки даних.,
Оскільки центри обробки даних продовжують розвиватися від традиційних ієрархічних архітектур до більш гнучких, масштабів - проектів, важливість вдосконалених рішень оптичних взаємозв'язків стала першорядною у вирішенні технічних проблем, пов'язаних з масштабуванням пропускної здатності, споживанням електроенергії та оптимізацією витрат.
400G+
Нові швидкості зв'язку
90%
Зменшення потужності за допомогою кремнієвої фотоніки
10x
Прогноз зростання пропускної здатності (5 років)
Виберіть рішення DCI, яке підходить саме вам
Еволюція оптичного взаємозв'язку в масштабі - Вихід з центрів обробки даних
Оптичне волокно стало первинним середовищем взаємозв'язку для комунікацій центру обробки даних, відіграючи незамінну роль у передачі даних у різних масштабах. Перехід від міді - рішень на оптичні взаємозв'язки є основним зрушенням у тому, як сучасні центри обробки даних підходять до викликів високого зв'язку -.
Перехід від міді (ліворуч) до оптичного волокна (праворуч) має революцію в центрі даних, що забезпечує більш високі швидкості на більшій відстані при меншому споживанні електроенергії.
Різні нові оптичні технології стали життєздатними альтернативами для вирішення технічних проблем, з якими стикаються мережі під час горизонтального масштабування, значно підвищуючи продуктивність та ефективність великих розгортань центру обробки даних -.
Майбутнє технологій взаємозв'язку центрів обробки даних охоплює всебічну інтеграцію мультиплексних трансиверів дивізії довжини хвилі (WDM) як модульних будівельних блоків в інфраструктурі центру обробки даних. У розширених архітектурах традиційні паралельні оптичні приймачі, що з'єднують стручки, та пов'язуючи стручки з ядерними перемикачами, замінюються інтегрованими приймачами WDM, що працюють зі швидкістю 40 г, 100 г та 400 г.
Еволюція швидкості взаємозв'язку центру обробки даних
10G ERA (2010-2015)
Домінування мідних та ранніх оптичних рішень, в першу чергу, використовуючи технологію VCSEL з мультимодовим волокном.
40G/100G ERA (2015-2020)
Прийняття паралельної оптики та раннього впровадження WDM, міграція до одиночного - волокно режиму для більшої відстані.
400 г епохи (2020-2025)
Масове прийняття когерентної оптики та кремнієвої фотоніки, значні покращення енергоефективності.
800g/1.6t майбутнє (2025+)
Розширені формати модуляції, розширені WDM та повністю інтегровані фотонні схеми.
Ця технологічна еволюція дозволяє агрегацію всіх електричних каналів з одним і тим же пунктом призначення за допомогою одного волокна, різко зменшуючи складність волоконної інфраструктури, зберігаючи високу пропускну здатність. Для оптимізації споживання електроенергії в цих вдосконалених архітектурах пропускна здатність взаємозв'язку між стручками може бути динамічно налаштована, щоб відповідати необхідним вимогам пропускної здатності мережі. Цей адаптивний підхід до розподілу пропускної здатності є значним прогресом технологій взаємозв'язку центру обробки даних, що забезпечує більш ефективне використання ресурсів та зменшення експлуатаційних витрат.
Високі - Швидкість оптичні технології та компоненти
Інновації VCSEL, DFB та Silicon Photonics
Розробка високих - Оптичні компоненти швидкості сприяли просуванню технологій взаємозв'язку центру обробки даних. Низька - потужність, низька - Вартість вертикальної порожнини, що випромінюють лазери (VCSels) у поєднанні з мультимодовим волокном (MMF), відіграли вирішальну роль у забезпеченні 10 ГБ/с.
| Технологія | Швидкість | Відстань | Споживання електроенергії | Вартість |
|---|---|---|---|---|
| VCSEL + MMF | До 25 ГБ/с | До 100 м | Низький | Низький |
| DFB + SMF | До 100 ГБ/с | До 2 км | Середній | Середній |
| Кремнієва фотоніка | До 400 ГБ/с | До 10 км | Низький - медіа | Зменшення |
| Узгоджена оптика | 400G+ | 10 км+ | Вищий | Вищий |
Хоча значний прогрес був досягнутий у виробництві вищих - швидкості VCSELS за допомогою альтернативних матеріалів, досягнення швидкості значно перевищує 10 ГБ/с, зберігаючи надійність та врожайність, залишається значною проблемою.
Масиви VCSEL дозволяють паралельну оптичну комунікацію з помірними швидкостями з відмінною енергоефективністю
Кремнієва фотоніка інтегрує оптичні компоненти безпосередньо на кремнієві вафлі, що дозволяє масово виробляти
Обмеження традиційної технології VCSEL стають очевидними при розгляді відстані - обмеження продукту пропускної здатності, накладені модальною дисперсією. При швидкості даних 10 ГБ/с максимальна відстань зв'язку не відповідає покриттям цілих об'єктів центру обробки даних, і цей діапазон покриття швидко зменшується зі збільшенням швидкості передачі даних. Щоб подолати ці обмеження та досягти діапазонів покриття, що перевищує 300 метрів на швидкості 10 ГБ/с, центри обробки даних все частіше приймають більш потужні, але більш дорогі розподілені зворотні зв'язки (DFB) лазери в поєднанні з одиночним волокном - (SMF).
Оскільки галузь підштовхує швидкість каналу з 10 ГБ/с до 25 ГБ/с і далі, нові четвертинні матеріали, такі як Ingaalas/INP, використовуються в конструкціях лазера DFB, щоб забезпечити високу високу - продуктивність температури на підвищеній швидкості. Інноваційні лазерні структури DFB, включаючи короткі - конструкції порожнини та об'єктив - інтегрована поверхня - конфігурації, що випромінюють, були підтверджені, щоб запропонувати більш високу пропускну здатність пристрою та вузьку спектральну ширину порівняно з VCSELS.
Силіконова фотоніка стала трансформаційною технологією у вирішенні проблем з енергоефективністю та витратами, пов’язаними з традиційними III - v сполук напівпровідникових оптичних приймачів. Незважаючи на непряму пропускну програму кремнію, що обмежує її ефективність як напівпровідниковий лазерний матеріал, він пропонує чудову теплопровідність, прозорість при традиційних довжинах хвиль телекомунікацій та низьких характеристик шуму при використанні для множення лавини за рахунок високих швидкостей іонізації зіткнення електронів/отворів.
Найголовніше, що кремнієві фотонні процеси можуть бути сумісні з виробничими процесами CMOS, розробленими галуззю електроніки, що забезпечує економію масштабних та інтеграційних переваг.
Нещодавні прориви в кремнієвій фотоніці включають високі - ефективність фотодетекторів германію, високі - модулятори швидкості швидкості з мінімальним споживанням енергії та лазерними розробками германію/кремнію. Тісна інтеграція електроніки та фотоніки, що забезпечується цими технологіями, дозволяє більш високу пропускну здатність при менших рівнях споживання електроенергії, позиціонувавши кремнію, як ключовий фактор для підвищення гнучкості центру обробки даних, енергоефективності та зниження витрат.
Мультиплексування технологій для масштабування пропускної здатності
Мультиплексування космічного поділу
Впровадження методів мультиплексування має важливе значення для масштабування пропускної здатності взаємозв'язку в сучасних технологіях взаємозв'язку центрів обробки даних. Мультиплексування множинного розподілу (SDM) та мультиплексування хвиль довжини хвилі (WDM) ефективно використовують паралелізм, притаманні комп'ютерних архітектурах та перемикання мікросхем, що робить їх двома найбільш широко розгорнутими технологіями мультиплексування в середовищах центрів даних.
Порівняння методів мультиплексування
Мультиплексування космічного поділу
Використовує паралельні волокна або мульти - основні волокна
Проста реалізація з паралельною оптикою
Вартість - Ефективна при менших швидкостях
Висока кількість клітковини збільшує складність
Обмежена масштабованість для дуже високої пропускної здатності
Дивізію довжини хвилі мультиплексування
Кілька потоків даних над одним волокном
Відмінна масштабованість для високої пропускної здатності
Зменшує вимоги до інфраструктури волокон
Більш висока складність компонентів
Вимагає точного управління довжиною хвилі
Найпростіший підхід до збільшення пропускної здатності через SDM передбачає присвячення окремих волокон кожному каналу, з масивами лазерного та фотоприймача, розгорнутими в обох кінцевих точках. Паралельні оптичні приймачі з використанням стрічкових волокон та роз'ємів MPO широко розгорнуті в центрі обробки даних та високих - обчислювальних середовищах ефективності.
Крім традиційних реалізацій паралельних стрічкових кабелів, технологія Multi - Core Fiber (MCF), спочатку розроблена для довгих - телекомунікацій відстані, привернула увагу в додатках центру обробки даних. Технологія MCF дозволяє декільком ядерам ділитися однією обшивкою в межах одного волокна, а завдяки використанню зчеплення решітки MCF може бути безпосередньо підключений до лазерних та фотоприймачів за допомогою звичайних роз'ємів LC. Такий підхід значно покращує щільність взаємозв'язку, дозволяючи більше ядер (і, таким чином, більше пропускної здатності) в одному кабелі.
Дивізію довжини хвилі мультиплексування
Технологія WDM, яка була широко розгорнута в метро та довгих - мережах передачі протягом останніх десятиліть, тепер розвивається для вирішення унікальних вимог коротких технологій - відстані Центру даних. Прийняття WDM у середовищах центрів обробки обумовлено необхідністю зменшити накладні витрати, одночасно постійно збільшуючи пропускну здатність зв’язку.
"Інтеграція когерентної технології WDM в мережах центрів обробки даних продемонструвала потенціал підвищення ефективності спектральної до 400% порівняно з традиційними системами прямого виявлення, зберігаючи сумісність з існуючим одиночним - інфраструктури волоконної інфраструктури. Оперативні та капітальні витрати ".
- Zhang et al., 2024, "Розширені когерентні оптичні технології для наступних мереж - генерації", журнал оптичних комунікацій та мережі, vol {{4}, ні . 3, pp . 234-248.}}}
Реалізація WDM в технологіях взаємозв'язку центрів обробки даних повинна вирішити кілька критичних міркувань:
Оптимізація витрат
На відміну від традиційних телекомунікаційних додатків, де більш високі витрати на приймач виправдані для максимізації пропускної здатності цінних довгих - посилання на відстань волокон, середовища центру обробки даних мають рясні та недорогі волоконні ресурси. Тому витрати на трансивер повинні бути різко зменшені для підтримки економічної життєздатності тканини взаємозв'язку центру обробки даних.
Споживання електроенергії
Високі - Основні приймачі створюють значні проблеми з термічним управлінням і можуть обмежувати щільність розгортання шасі електричних пакетів (EPS). Середовища центру обробки даних сприяють рішенням, які усувають потребу в відновленні годин та активному охолодженню.
Оптичний зв’язок бюджет
Охорони центру обробки даних повинні вмістити мульти - Будівельні проміжки до 2 кілометрів, враховуючи втрати панелі патчів. Для великих розгортання шкали - необхідна додаткова маржа бюджету посилань для спрощення операцій та покриття високих посилань - в кінці шляхів розподілу.
Пропускна здатність та відповідність швидкості
Оптичне шосе повинно безперешкодно відповідати пропускній здатності та характеристикам швидкості електричних тканин комутації. Поточні рішення, включаючи 10 г, 4 × 10 г LR4 та 10 × 10G LR10, забезпечують вартість - ефективні та потужність - Ефективні параметри приймача WDM.
Міркування волоконної інфраструктури
Вибір між одиноким - Mode Fiber (SMF) та мультимодовим волокном (MMF) являє собою критичне рішення щодо впровадження технологій взаємозв'язку центру обробки даних. 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 коротші відстані.
Порівняння продуктивності типу волокна
Технологія SMF пропонує кілька переконливих переваг для розгортання центру обробки даних. Як зрілий, низький - коштує комерційну технологію з простою структурою, SMF протягом десятиліть використовувався в галузі телекомунікацій. Один SMF може підтримувати десятки до сотень терабітів в секунду пропускної здатності через технологію WDM, де кілька пар приймача працюють на різних довжинах хвиль у одному волокні.
Сучасні панелі розподілу волокон дозволяють щільне підключення з мінімальними втратами, підтримуючи високу - реалізацію пропускної здатності WDM у приміщеннях центру обробки даних
Переваги SMF - Центр даних Центру даних Конкурсні технології стають все більш очевидними, оскільки центри обробки даних масштабуються від 10 ге до 40Ge, 100Ge та 400GE. Впровадження SMF забезпечують значну економію витрат на кабель та зменшення обсягу покоління архітектури мережі, пропонуючи переваги як капітальних, так і операційних витрат.
Масштабованість пропускної здатності взаємозв'язку значно підвищується за допомогою SMF, оскільки швидкість каналів довжини хвилі може бути збільшена в межах тієї ж волокна, а не вимагає додаткових паралельних волокон, як у MMF -взаємозв'язках. Максимальний діапазон взаємозв'язку також значно розширений, зменшуючи вимоги до кількості волокон та простору панелі.
Енергія - Пропорційні оптичні взаємозв'язки
Традиційні ієрархічні мережі центрів обробки даних споживають відносно мало потужності порівняно з серверами через високу конвергенцію пропускної здатності на кожному шарі та низькі показники використання сервера. Однак у масштабах - вийшов з мережевих архітектури, суттєве збільшення пропускної здатності бісекції та вдосконаленого використання сервера перетворили споживання енергії мережі з менш ніж 12% до значної частини загального споживання потужності центру обробки даних.
Розподіл живлення центру обробки даних
Крім розгортання низьких - Оптичні приймачі живлення, ефективність мережі може бути додатково покращена, зробивши споживання енергії зв'язку пропорційним кількості переданих даних. Сучасні технології взаємозв'язку центрів обробки даних дозволяють це за допомогою можливостей динамічного діапазону як у потужності, так і в доставці пропускної здатності.
Оптичні взаємозв'язки та пов'язані з ними високі - Speed Serializer/Deserializer (SERDES) Схеми демонструють великі динамічні діапазони потужності та пропускну здатність. Комерційні перемикаючі мікросхеми можуть вручну регулювати швидкість передачі даних по декількох каналах, причому кожен канал здатний працювати зі швидкістю до 10 ГБ/с. Ця гнучкість забезпечує динамічний діапазон 64% споживання електроенергії та 16 × продуктивності, що дозволяє активізувати меншу кількість каналів та працювати при меншій швидкості передачі даних, щоб зменшити споживання потужності оптичного зв’язку.
Ефективність потужності
Динамічне коригування зв’язку зменшує споживання електроенергії до 64% протягом низьких періодів трафіку
Діапазон продуктивності
Динамічний діапазон 16 × забезпечує точну відповідність пропускної здатності до фактичних вимог
Швидке регулювання
Зміни швидкості зв’язків завершуються в межах 50-100 наносекунд для безшовної адаптації
Як протоколи Infiniband, так і Ethernet підтримують конфігурацію посилань на визначених швидкостях та ширинах, з часом повторної активації, починаючи від наносекунд до мікросекунд. Коли швидкості зв'язку змінюються між 10 ГБ/с, 20 ГБ/с та 40 ГБ/с з усіма чотирма каналами, що активні, мікросхема просто регулює пропускну здатність відновлення даних (CDR) та RE - замикає CDR. Оскільки більшість сучасних реалізацій SERDES використовують цифровий CDR на шляху прийому, процес блокування різних показників передачі даних швидкий, як правило, завершується в межах 50 наносекунд за звичайних умов та 100 наносекунд у гірших - сценарії.
Розширена модуляція та обробка сигналів
У той час як мультиплексування дивізії довжини довжини хвилі являє собою первинні підходи для масштабування пропускної здатності в технологіях взаємозв'язку центру обробки даних, інших методик, таких як мультиплексування ортогональної частоти (O - ofdm) та мульти - або просунута формати модуляції та можливості. 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.
Торгівля - відключається між спектральною ефективністю, споживанням електроенергії, різноманітністю шляхів та складністю кабелів продовжує впливати на проект технологій взаємозв'язку центру обробки даних. Для внутрішньо - будівельних мереж сітчасті топології з багатим підключенням бажані, що дозволяє певну жертву в спектральній ефективності для досягнення меншого споживання електроенергії, зменшених витрат на приймач та багатших мережевих структур. Однак при більш високих шарах агрегації або в інтерв'ю -, де пропускна пропускна здатність зосереджена на точці - до - точкових посилань і розгортання темного волокна є дорогим, щільне мультиплексування довжини хвилі (DWDM) з більш високою ефективністю спектральної ефективності стає вигідним рішенням.
Завдання інтеграції та упаковки
Успішне розгортання наступних - Генерація Центру даних Центру даних Конкурсних технологій значною мірою залежить від подолання різних проблем упаковки та інтеграції. У міру того, як RACK - Внутрішні показники зв'язку збільшуються за 10 ГБ/с, традиційні мідні кабелі замінюються оптичними компонентами через об'ємну природу, високе споживання електроенергії та значні втрати пасивних та активних мідних кабелів при високій швидкості передачі даних, що обмежує їх використання лише на кілька метрів.
Теплове управління
Високі - Оптичні компоненти щільності генерують значне тепло, яке повинно бути ефективно розсіювання. Для вирішення цього виклику при цьому підтримують надійність компонентів, зберігаючи надійні рішення для теплового інтерфейсу та мікроканальні рішення для охолодження.
Виробник
Фотонічні інтегровані схеми потребують точних процесів виготовлення, які можуть бути складними для масштабування. Вдосконалення літографії та матеріалознавства поступово збільшують врожайність виробництва та зменшують витрати на складні фотонні компоненти.
Стандартизація
Відсутність універсальних стандартів оптичних інтерфейсів ускладнює сумісність між обладнанням різних постачальників. Промислові консорції працюють над розробкою загальних специфікацій, які збалансували інновації з сумісністю.
Прийняття IC - Тип оптичних рішень для упаковки, таких як технологія Peak Sight, обіцяє революціонізувати підключення центру обробки даних через низьку вартість-, короткий - оптичні пристрої відстані. У найближчі роки стане свідком комерціалізації мережевих інтерфейсних карток (NICS), що демонструють низькі - вартість n × 10 г оптичних інтерфейсів. Крім того, перемикання мікросхем включатиме нативну підтримку PHY для 10 г серійних інтерфейсів, ще більше зменшення витрат та енергоспоживання.
Інтеграція фотоніки з електронікою являє собою критичну віху в просуванні технологій взаємозв'язку центру обробки даних. Тісне з'єднання між електронними та фотонними компонентами дозволяє більш високу пропускну здатність на нижчих рівнях споживання електроенергії, тоді як CMOS -, сумісні з виробничих процесів, обіцяють зменшити витрати за допомогою економії масштабу. Однак реалізація цих переваг вимагає вирішення численних проблем, пов’язаних із термічним управлінням, щільністю упаковки та виходом виготовлення.