เทคโนโลยีเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูลคืออะไร

วิวัฒนาการของการเชื่อมต่อระหว่างกันในศูนย์ข้อมูลสมัยใหม่

 

 

 

วิวัฒนาการของการเชื่อมต่อแบบออปติคัลในระดับ - ออกศูนย์ข้อมูล

---

 

ใยแก้วนำแสงได้กลายเป็นสื่อการเชื่อมต่อระหว่างกันหลักสำหรับการสื่อสารศูนย์ข้อมูลมีบทบาทที่ขาดไม่ได้ในการส่งข้อมูลในระดับต่างๆ การเปลี่ยนจากคอปเปอร์ - โซลูชันที่ใช้การเชื่อมต่อแบบออปติคัลแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงพื้นฐานในการที่ศูนย์ข้อมูลสมัยใหม่เข้าหาความท้าทายของการสื่อสารความเร็วสูง -

 

 

การเปลี่ยนจากทองแดง (ซ้าย) ไปเป็นใยแก้วนำแสง (ขวา) ได้ปฏิวัติการเชื่อมต่อศูนย์ข้อมูลโดยการเปิดใช้งานความเร็วที่สูงขึ้นในระยะทางไกลโดยใช้พลังงานต่ำกว่า

 

เทคโนโลยีออพติคอลที่เกิดขึ้นใหม่ได้กลายเป็นทางเลือกที่ทำงานได้สำหรับการจัดการกับความท้าทายทางเทคนิคที่ต้องเผชิญกับเครือข่ายในระหว่างการปรับขนาดแนวนอนปรับปรุงประสิทธิภาพและประสิทธิภาพของการปรับใช้ศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่ - ขนาดใหญ่

 

อนาคตของ Data Center Interconnect Technologies ครอบคลุมการรวมตัวของตัวรับส่งสัญญาณมัลติเพล็กซ์ (WDM) ที่ครอบคลุมซึ่งเป็นหน่วยการสร้างแบบแยกส่วนภายในโครงสร้างพื้นฐานของศูนย์ข้อมูล ในสถาปัตยกรรมขั้นสูงเครื่องรับส่งสัญญาณแสงแบบขนานแบบดั้งเดิมที่เชื่อมต่อฝักและการเชื่อมโยงพ็อดกับสวิตช์หลักจะถูกแทนที่ด้วยเครื่องรับส่งสัญญาณ WDM ในตัวที่ทำงานด้วยความเร็ว 40 กรัม, 100 กรัมและ 400 กรัม

 

 

วิวัฒนาการของความเร็วเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูล

 

วิวัฒนาการทางเทคโนโลยีนี้ช่วยให้การรวมตัวของช่องทางไฟฟ้าทั้งหมดด้วยปลายทางเดียวกันโดยใช้เส้นใยเดี่ยวลดความซับซ้อนของโครงสร้างพื้นฐานของเส้นใยในขณะที่ยังคงความจุแบนด์วิดท์สูง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานในสถาปัตยกรรมขั้นสูงเหล่านี้แบนด์วิดท์การเชื่อมต่อระหว่างกันระหว่าง POD สามารถปรับได้แบบไดนามิกเพื่อให้ตรงกับความต้องการแบนด์วิดท์เครือข่ายที่ต้องการ วิธีการที่ปรับตัวได้ในการจัดสรรแบนด์วิดท์นี้แสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าที่สำคัญในเทคโนโลยีการเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูลทำให้การใช้ทรัพยากรมีประสิทธิภาพมากขึ้นและลดต้นทุนการดำเนินงาน

 

 

สูง - เทคโนโลยีออปติคัลความเร็วและส่วนประกอบ

---

 

VCSEL, DFB และ Silicon Photonics Innovations

 

การพัฒนาส่วนประกอบออปติคัลความเร็วสูง - เป็นเครื่องมือในการพัฒนาเทคโนโลยีการเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูล ต่ำ - พลังงานต่ำ - ค่าใช้จ่ายพื้นผิวโพรงแนวตั้งที่เปล่งแสงเลเซอร์ (VCSELS) ควบคู่ไปกับเส้นใยมัลติโหมด (MMF) มีบทบาทสำคัญในการเปิดใช้งานอัตราการสื่อสาร 10 GB/S ภายในศูนย์ข้อมูล

 

เทคโนโลยี	ความเร็ว	ระยะทาง	การใช้พลังงาน	ค่าใช้จ่าย
VCSEL + MMF	มากถึง 25 GB/s	สูงถึง 100 เมตร	ต่ำ	ต่ำ
DFB + SMF	สูงถึง 100 gb/s	สูงสุด 2 กม.	ปานกลาง	ปานกลาง
โฟโตนิกซิลิกอน	สูงสุด 400 GB/s	สูงสุด 10 กม.	ต่ำ - สื่อ	ซึ่งลดลง
เลนส์ที่สอดคล้องกัน	400G+	10km+	สูงกว่า	สูงกว่า

 

ในขณะที่ความคืบหน้าอย่างมีนัยสำคัญเกิดขึ้นในการผลิต VCSELS ที่สูงขึ้น -} ความเร็วโดยใช้วัสดุทางเลือกการบรรลุความเร็วสูงเกิน 10 GB/s ในขณะที่รักษาความน่าเชื่อถือและผลผลิตยังคงเป็นความท้าทายที่สำคัญ

 

 

ข้อ จำกัด ของเทคโนโลยี VCSEL แบบดั้งเดิมจะชัดเจนเมื่อพิจารณาระยะทาง - ข้อ จำกัด ของผลิตภัณฑ์แบนด์วิดท์ที่กำหนดโดยการกระจายแบบโมดัล ด้วยอัตราข้อมูล 10 GB/s ระยะการสื่อสารสูงสุดจะสั้นลงจากการครอบคลุมสิ่งอำนวยความสะดวกศูนย์ข้อมูลทั้งหมดและช่วงการครอบคลุมนี้จะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่ออัตราข้อมูลเพิ่มขึ้น เพื่อเอาชนะข้อ จำกัด เหล่านี้และบรรลุช่วงความครอบคลุมเกิน 300 เมตรด้วยความเร็ว 10 gb/s ศูนย์ข้อมูลได้นำมาใช้ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่มีราคาแพงกว่า (DFB) เลเซอร์ที่จับคู่กับเส้นใยโหมดโหมด - เดี่ยว (SMF)

 

ในขณะที่อุตสาหกรรมผลักดันความเร็วของช่องสัญญาณจาก 10 gb/s เป็น 25 gb/s และมากกว่านั้นวัสดุ quaternary นวนิยายเช่น Ingaalas/INP กำลังถูกใช้ในการออกแบบเลเซอร์ DFB เพื่อให้ประสิทธิภาพอุณหภูมิสูง - ที่ความเร็วสูง โครงสร้างเลเซอร์ DFB ที่เป็นนวัตกรรมรวมถึงการออกแบบโพรงและเลนส์สั้น ๆ -} - พื้นผิวแบบบูรณาการ - การกำหนดค่าการเปล่งออกมาได้รับการตรวจสอบความถูกต้องเพื่อให้แบนด์วิดธ์ของอุปกรณ์ที่สูงขึ้นและความกว้างสเปกตรัมที่แคบกว่า

 

Silicon Photonics ได้กลายเป็นเทคโนโลยีการเปลี่ยนแปลงในการจัดการกับประสิทธิภาพการใช้พลังงานและความท้าทายด้านต้นทุนที่เกี่ยวข้องกับ III แบบดั้งเดิม - v สารเคมีแสงสารกึ่งตัวนำ แม้จะมี bandgap ทางอ้อมของซิลิคอน จำกัด ประสิทธิภาพของมันในฐานะวัสดุเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ แต่ก็มีการนำความร้อนที่ยอดเยี่ยมความโปร่งใสที่ความยาวคลื่นโทรคมนาคมแบบดั้งเดิมและลักษณะเสียงรบกวนต่ำเมื่อใช้สำหรับการคูณหิมะถล่ม

 

 

ความก้าวหน้าล่าสุดใน silicon photonics รวมถึง - ประสิทธิภาพการตรวจสอบเครื่องตรวจจับเครื่องวัดความเร็วสูง, - ตัวดัดแปลงซิลิกอนความเร็วสูงที่มีการใช้พลังงานสลับน้อยที่สุดและการพัฒนาเลเซอร์เจอร์เมเนียม/ซิลิคอน การบูรณาการอย่างแน่นหนาของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกที่เปิดใช้งานโดยเทคโนโลยีเหล่านี้ช่วยให้แบนด์วิดท์สูงขึ้นในระดับการใช้พลังงานที่ต่ำกว่าการวางตำแหน่งซิลิคอนโฟโตนิกส์เป็นตัวช่วยสำคัญสำหรับการปรับปรุงความยืดหยุ่นของศูนย์ข้อมูลประสิทธิภาพการใช้พลังงานและการลดต้นทุน

 

 

เทคโนโลยีมัลติเพล็กซิ่งสำหรับการปรับแบนด์วิดท์

---

 

มัลติเพล็กซ์

 

การใช้เทคนิคมัลติเพล็กซิ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการปรับขนาดแบนด์วิดท์การเชื่อมต่อโครงข่ายในเทคโนโลยีการเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูลที่ทันสมัย การแบ่งพื้นที่มัลติเพล็กซิ่ง (SDM) และการแบ่งความยาวคลื่นมัลติเพล็กซ์ (WDM) ใช้ประโยชน์จากความเท่าเทียมกันอย่างมีประสิทธิภาพในสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์และสลับชิปทำให้พวกเขาเป็นเทคโนโลยีมัลติเพล็กซ์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในสภาพแวดล้อมศูนย์ข้อมูล

 

การเปรียบเทียบเทคนิคมัลติเพล็กซิ่ง

 

วิธีการที่ง่ายที่สุดในการเพิ่มแบนด์วิดท์ผ่าน SDM นั้นเกี่ยวข้องกับการอุทิศเส้นใยแต่ละตัวให้กับแต่ละช่องทางด้วยเลเซอร์และอาร์เรย์โฟโต้ ตัวรับส่งสัญญาณแสงแบบขนานที่ใช้ตัวเชื่อมต่อริบบิ้นและตัวเชื่อมต่อ MPO ได้รับการปรับใช้อย่างกว้างขวางในศูนย์ข้อมูลและสภาพแวดล้อมการคำนวณประสิทธิภาพสูง -

 

นอกเหนือจากการใช้สายเคเบิลริบบิ้นแบบขนานแบบดั้งเดิมแล้ว Multi - เทคโนโลยี Core Fiber (MCF) ที่พัฒนาขึ้นมานาน - การสื่อสารทางไกลระยะไกลได้รับความสนใจในแอปพลิเคชันศูนย์ข้อมูล เทคโนโลยี MCF ช่วยให้หลายคอร์สามารถแบ่งปันการหุ้มแผ่นเดียวภายในเส้นใยเดี่ยวและผ่านการใช้ couplers ตะแกรง MCF สามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับเลเซอร์และอาร์เรย์ photodetector โดยใช้ตัวเชื่อมต่อ LC ทั่วไป วิธีการนี้ช่วยเพิ่มความหนาแน่นของการเชื่อมต่อระหว่างกันอย่างมีนัยสำคัญโดยการเปิดใช้งานแกนมากขึ้น (และทำให้แบนด์วิดท์มากขึ้น) ภายในสายเคเบิลเดียว

 

มัลติเพล็กซ์ความยาวคลื่น

 

เทคโนโลยี WDM ซึ่งได้รับการปรับใช้อย่างกว้างขวางใน Metro และ Long - เครือข่ายการส่งสัญญาณในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาได้พัฒนาขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการที่ไม่ซ้ำกันของเทคโนโลยีการเชื่อมต่อศูนย์ข้อมูลระยะทางสั้น ๆ การใช้ WDM ในสภาพแวดล้อมศูนย์ข้อมูลนั้นได้รับแรงหนุนจากความจำเป็นในการลดค่าใช้จ่ายในการเดินสายในขณะที่เพิ่มแบนด์วิดท์ลิงก์อย่างต่อเนื่อง

 

 

การใช้งาน WDM ใน Data Center Interconnect Technologies ต้องจัดการกับข้อควรพิจารณาที่สำคัญหลายประการ:

 

การพิจารณาโครงสร้างพื้นฐานไฟเบอร์

---

 

ตัวเลือกระหว่างเส้นใยโหมด - เดี่ยว (SMF) และ Multimode Fiber (MMF) แสดงถึงการตัดสินใจที่สำคัญในการใช้เทคโนโลยีการเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูล ในขณะที่ MMF - การเชื่อมต่อระหว่างกันมีชั้นวางที่ครอบงำแบบดั้งเดิม - ถึง - การสื่อสารแร็คที่อัตรา 10 กรัมเนื่องจากต้นทุนตัวรับส่งสัญญาณต่ำข้อ จำกัด ของ MMF ในแง่ของ bandwidth และการเข้าถึง (ประมาณ 10 GB/s ระยะทางที่สั้นลง

 

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพประเภทไฟเบอร์

 

เทคโนโลยี SMF นำเสนอข้อได้เปรียบที่น่าสนใจหลายประการสำหรับการปรับใช้ศูนย์ข้อมูล ในฐานะที่เป็นผู้ใหญ่ต่ำ - เทคโนโลยีเชิงพาณิชย์ที่มีค่าใช้จ่ายด้วยโครงสร้างที่เรียบง่าย SMF ได้ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมโทรคมนาคมมานานหลายทศวรรษ SMF เดียวสามารถรองรับ terabits หลายสิบถึงหลายร้อยต่อวินาทีของแบนด์วิดท์ผ่านเทคโนโลยี WDM ที่คู่รับโอนหลายคู่ทำงานที่ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันภายในเส้นใยเดียวกัน

 

 

ข้อดีของ SMF - เทคโนโลยีการเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูลที่ใช้ศูนย์ข้อมูลจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อศูนย์ข้อมูลจาก 10GE ถึง 40GE, 100GE และความเร็ว 400GE การใช้งาน SMF ให้การประหยัดค่าใช้จ่ายสายเคเบิลที่สำคัญและการลดระดับเสียงในรุ่นสถาปัตยกรรมเครือข่ายซึ่งเสนอข้อดีทั้งในด้านทุนและค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน

 

ความสามารถในการปรับขนาดของแบนด์วิดท์การเชื่อมต่อระหว่างกันได้รับการปรับปรุงอย่างมากด้วย SMF เนื่องจากอัตราช่องทางความยาวคลื่นสามารถเพิ่มขึ้นภายในเส้นใยเดียวกันแทนที่จะต้องการเส้นใยคู่ขนานเพิ่มเติมเช่นเดียวกับการเชื่อมต่อระหว่าง MMF ช่วงการเชื่อมต่อระหว่างกันสูงสุดยังขยายออกไปอย่างมีนัยสำคัญในขณะที่ลดจำนวนไฟเบอร์และข้อกำหนดพื้นที่แผงแพทช์

 

พลังงาน - การเชื่อมต่อแบบออปติคัลสัดส่วนสัดส่วน

---

 

เครือข่ายศูนย์ข้อมูลลำดับชั้นแบบดั้งเดิมใช้พลังงานค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับเซิร์ฟเวอร์เนื่องจากการบรรจบกันของแบนด์วิดท์สูงในแต่ละชั้นและอัตราการใช้งานเซิร์ฟเวอร์ต่ำ อย่างไรก็ตามในระดับ - ออกสถาปัตยกรรมเครือข่ายการเพิ่มขึ้นอย่างมากของแบนด์วิดท์ bisection และการใช้เซิร์ฟเวอร์ที่ได้รับการปรับปรุงได้เปลี่ยนการใช้พลังงานเครือข่ายจากน้อยกว่า 12% เป็นส่วนสำคัญของการใช้พลังงานศูนย์ข้อมูลโดยรวม

 

การกระจายพลังงานของศูนย์ข้อมูล

 

นอกเหนือจากการปรับใช้ต่ำ - เครื่องรับส่งสัญญาณแสงไฟฟ้าประสิทธิภาพของเครือข่ายสามารถปรับปรุงได้มากขึ้นโดยการใช้พลังงานการสื่อสารตามสัดส่วนของข้อมูลที่ส่ง เทคโนโลยีการเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูลที่ทันสมัยเปิดใช้งานสิ่งนี้ผ่านความสามารถในช่วงไดนามิกทั้งในการส่งพลังงานและแบนด์วิดท์

 

Optical Interconnects และ High - ความเร็ว serializer/deserializer (Serdes) ความเร็วแสดงช่วงไดนามิกขนาดใหญ่ในพลังงานและแบนด์วิดท์ ชิปสลับเชิงพาณิชย์สามารถปรับอัตราข้อมูลลิงก์ด้วยตนเองในหลายช่องทางโดยแต่ละช่องสามารถใช้งานได้ด้วยความเร็วสูงถึง 10 GB/s ความยืดหยุ่นนี้ช่วยให้ช่วงไดนามิก 64% ในการใช้พลังงานและประสิทธิภาพ 16 ×ช่วยให้สามารถเปิดใช้งานช่องน้อยลงและดำเนินการในอัตราข้อมูลที่ต่ำกว่าเพื่อลดการใช้พลังงานลิงก์ออพติคอล

ทั้งโปรโตคอล Infiniband และ Ethernet รองรับการกำหนดค่าลิงค์ที่ความเร็วและความกว้างที่ระบุพร้อมเวลาเปิดใช้งานการเชื่อมโยงตั้งแต่นาโนวินาทีไปจนถึงไมโครวินาที เมื่ออัตราการเชื่อมโยงเปลี่ยนระหว่าง 10 gb/s, 20 gb/s และ 40 gb/s พร้อมกับช่องทั้งสี่ที่ใช้งานอยู่ชิปก็จะปรับแบนด์วิดท์การกู้คืนข้อมูลนาฬิกา (CDR) และ CDR) และอีกครั้ง - ล็อค CDR เนื่องจากการใช้งาน Serdes ที่ทันสมัยส่วนใหญ่ใช้ CDR ดิจิตอลในเส้นทางการรับกระบวนการล็อคสำหรับอัตราข้อมูลที่แตกต่างกันอย่างรวดเร็วโดยทั่วไปจะเสร็จสิ้นภายใน 50 นาโนวินาทีภายใต้สภาวะปกติและ 100 นาโนวินาทีในสถานการณ์กรณีที่เลวร้ายที่สุด -

 

 

การมอดูเลตขั้นสูงและการประมวลผลสัญญาณ

---

 

ในขณะที่การแบ่งพื้นที่และความยาวคลื่นเป็นตัวแทนของวิธีการหลักสำหรับการปรับขนาดแบนด์วิดท์ในเทคโนโลยีการเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูลเทคนิคอื่น ๆ เช่นการแบ่งความถี่ออปติคัลออพติคอลมัลติเพล็กซ์ (O - OFDM) และ multi - ระดับ อย่างไรก็ตามวิธีการเหล่านี้ต้องการโมดูลการแปลงอัตราสำหรับการเข้ารหัสสัญญาณพร้อมกับชิป ASIC สำหรับการประมวลผลสัญญาณดิจิตอล (DSP) และอะนาล็อก - ถึง - ดิจิตอล/ดิจิตอล- ถึง {{7}

 

 

การค้า - ปิดระหว่างประสิทธิภาพของสเปกตรัมการใช้พลังงานความหลากหลายของเส้นทางและความซับซ้อนของการเดินสายยังคงมีอิทธิพลต่อการออกแบบเทคโนโลยีเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูล สำหรับ Intra - เครือข่ายการสร้างทอพอโลยีตาข่ายที่มีการเชื่อมต่อที่หลากหลายเป็นที่ต้องการทำให้การเสียสละบางอย่างในประสิทธิภาพของสเปกตรัมเพื่อให้ได้การใช้พลังงานลดลงต้นทุนตัวรับส่งสัญญาณลดลงและโครงสร้างเครือข่ายที่เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตามที่เลเยอร์การรวมที่สูงขึ้นหรือใน inter - สร้างเครือข่ายที่แบนด์วิดธ์เข้มข้นบนจุด - ถึง - ลิงก์จุดและการปรับใช้เส้นใยมืดมีราคาแพง

 

 

ความท้าทายในการรวมและบรรจุภัณฑ์

---

 

การปรับใช้ที่ประสบความสำเร็จของเทคโนโลยีการเชื่อมต่อศูนย์ข้อมูล - ต่อไปนั้นขึ้นอยู่กับการเอาชนะความท้าทายและการรวมกลุ่มที่หลากหลาย เมื่อชั้นวาง - อัตราการสื่อสารภายในเพิ่มขึ้นเกิน 10 Gb/s สายทองแดงแบบดั้งเดิมจะถูกแทนที่ด้วยส่วนประกอบทางแสงเนื่องจากธรรมชาติขนาดใหญ่การใช้พลังงานสูงและการสูญเสียสายทองแดงแบบพาสซีฟและแอคทีฟอย่างมีนัยสำคัญในอัตราข้อมูลสูง

 

 

การใช้ IC - ประเภทโซลูชั่นบรรจุภัณฑ์ออปติคัลเช่นเทคโนโลยีแสงสูงสุด, สัญญาว่าจะปฏิวัติการเชื่อมต่อศูนย์ข้อมูลผ่านต่ำ - ราคาสั้น - อุปกรณ์ออพติคอลระยะไกล ปีที่จะมาถึงจะเป็นพยานในการดำเนินการเชิงพาณิชย์ของการ์ดอินเตอร์เฟสเครือข่าย (NICS) ที่มีค่าใช้จ่ายต่ำ - ค่าใช้จ่าย N × 10G อินเทอร์เฟซ นอกจากนี้ชิปการสลับจะรวมการสนับสนุน PHY ดั้งเดิมสำหรับอินเตอร์เฟสอนุกรม 10G ลดต้นทุนและการใช้พลังงานเพิ่มเติม

 

การรวมกันของโฟโตนิกกับอิเล็กทรอนิกส์แสดงให้เห็นถึงความสำเร็จครั้งสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีการเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูล การมีเพศสัมพันธ์อย่างแน่นหนาระหว่างส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และโทนิคช่วยให้แบนด์วิดท์สูงขึ้นในระดับการใช้พลังงานที่ต่ำกว่าในขณะที่ CMOS - กระบวนการผลิตที่เข้ากันได้สัญญาว่าจะลดต้นทุนผ่านการประหยัดจากขนาด อย่างไรก็ตามการตระหนักถึงผลประโยชน์เหล่านี้ต้องจัดการกับความท้าทายมากมายที่เกี่ยวข้องกับการจัดการความร้อนความหนาแน่นของบรรจุภัณฑ์และผลผลิตการผลิต