ما هي تقنيات ربط مركز البيانات

تطور الترابط البصري في مراكز البيانات الحديثة

 

 

 

تطور الترابط البصري في المقياس - مراكز البيانات

---

 

برزت الألياف البصرية كوسيلة ربط أساسية للاتصالات في مركز البيانات ، حيث لعبت دورًا لا غنى عنه في نقل البيانات عبر مختلف المقاييس. يمثل الانتقال من الحلول المستندة إلى النحاس - إلى ربطات البيع البصري تحولًا أساسيًا في كيفية تعامل مراكز البيانات الحديثة من تحديات الاتصال السريع -.

 

 

لقد أحدث الانتقال من النحاس (يسار) إلى الألياف البصرية (يمين) ثورة في اتصال مركز البيانات من خلال تمكين سرعات أعلى على مسافات أطول مع انخفاض استهلاك الطاقة.

 

أصبحت العديد من التقنيات البصرية الناشئة بدائل قابلة للحياة لمعالجة التحديات التقنية التي تواجهها الشبكات أثناء التحجيم الأفقي ، مما يؤدي بشكل كبير إلى تحسين أداء وكفاءة نشرات مركز البيانات الكبيرة -.

 

يشمل مستقبل تقنيات التوصيل البيني لمستقبل البيانات تكاملًا شاملاً لمستقبلي تعدد الإرسال (WDM) في تقسيم الطول الموجي كبنات بناء معيارية داخل البنية التحتية لمركز البيانات. في البنية المتقدمة ، يتم استبدال أجهزة الإرسال والاستقبال البصرية التقليدية التي تربط القرون وربط القرون بالمفاتيح الأساسية بمستقبليات WDM متكاملة تعمل بسرعات 40 جم و 100 جم و 400 جرام.

 

 

تطور سرعات ربط مركز البيانات

 

يتيح هذا التطور التكنولوجي تجميع جميع القنوات الكهربائية بنفس الوجهة باستخدام ألياف واحدة ، مما يقلل بشكل كبير من تعقيد البنية التحتية للألياف مع الحفاظ على سعة النطاق الترددي العالي. لتحسين استهلاك الطاقة في هذه البنية المتقدمة ، يمكن تعديل عرض النطاق الترددي للترابط بين القرون ديناميكيًا لمطابقة متطلبات النطاق الترددي للشبكة المطلوبة. يمثل هذا النهج التكيفي لتخصيص عرض النطاق الترددي تقدمًا كبيرًا في تقنيات ربط مركز البيانات ، مما يتيح استخدام الموارد الأكثر كفاءة وتقليل التكاليف التشغيلية.

 

 

عالية - التقنيات والمكونات البصرية السرعة

---

 

VCSEL و DFB و Silicon Photonics Innovations

 

لقد كان تطوير المكونات البصرية السريعة- مفيدة في تقدم تقنيات التوصيل البيني لمركز البيانات. لقد لعبت قوة منخفضة التكلفة - ، منخفضة- التكلفة التي تنبعث منها أشعة الليزر (VCSELS) إلى ألياف متعددة الأدوار (MMF) دورًا حاسمًا في تمكين معدلات الاتصال 10 جيجابايت/ثانية ضمن مراكز البيانات.

 

تكنولوجيا	سرعة	مسافة	استهلاك الطاقة	يكلف
VCSEL + MMF	ما يصل إلى 25 جيجابايت/ثانية	ما يصل إلى 100 متر	قليل	قليل
DFB + SMF	ما يصل إلى 100 جيجابايت/ثانية	ما يصل إلى 2 كم	واسطة	واسطة
السيليكون الضوئي	ما يصل إلى 400 جيجابايت/ثانية	ما يصل إلى 10 كيلومترات	منخفض - المتوسط	تناقص
البصريات المتماسكة	400G+	10km+	أعلى	أعلى

 

في حين تم إحراز تقدم كبير في تصنيع VCSELS ({0}}} VCSELS باستخدام مواد بديلة ، فإن تحقيق سرعات تتجاوز بشكل كبير 10 جيجابايت/ثانية مع الحفاظ على الموثوقية والعائد لا يزال تحديًا كبيرًا.

 

 

تصبح قيود تقنية VCSEL التقليدية واضحة عند النظر في المسافة - قيود منتج النطاق الترددي التي تفرضها تشتت مشروط. بمعدلات بيانات 10 غيغابايت/ثانية ، تقصر أقصى مسافة الاتصالات من تغطية مرافق مركز البيانات بأكملها ، وهذا نطاق التغطية يتناقص بسرعة مع زيادة معدلات البيانات. للتغلب على هذه القيود وتحقيق نطاقات التغطية التي تتجاوز 300 متر بسرعات 10 جيجابايت/ثانية ، اعتمدت مراكز البيانات بشكل متزايد أشعة التغذية المرتدة الأكثر قوة (DFB) مقترنة بألياف الوضع المفردة - (SMF).

 

نظرًا لأن الصناعة تدفع سرعات القناة من 10 جيجابايت/ثانية إلى 25 جيجابايت/ثانية وما بعدها ، يتم استخدام مواد رباعية جديدة مثل Ingaalas/INP في تصميمات ليزر DFB لتوفير أداء درجات الحرارة العالي العالي - بسرعات مرتفعة. تم التحقق من صحة هياكل ليزر DFB المبتكرة ، بما في ذلك تصاميم التجويف القصيرة- - على السطح المتكامل - تكوينات الانبعاثات ، لتوفير عرض النطاق الترددي العالي للأجهزة والأداء الطيفي الأضيق مقارنةً بـ VCSels.

 

برزت السيليكون الضوئية كتقنية تحويلية في معالجة كفاءة الطاقة والتحديات التكلفة المرتبطة بالتقليدية III - V عبر أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية لأشباه الموصلات. على الرغم من أن فجوة النطاق غير المباشر للسيليكون تقصر فعاليتها كمواد ليزر أشباه الموصلات ، فإنه يوفر توصيلًا حراريًا ممتازًا ، والشفافية في أطوال موجات الاتصالات التقليدية ، وخصائص الضوضاء المنخفضة عند استخدامها لضرب الفالان بسبب ارتفاع معدلات تأين التصادم.

 

 

تشمل الاختراقات الحديثة في الضوئيات السيليكون عالية - الكفاءة في الجرمانيوم الضوئي ، ومحوقي السيليكون عالية السرعة- مع الحد الأدنى من استهلاك طاقة التبديل ، وتطورات ليزر الجرمانيوم/السيليكون. يتيح التكامل الضيق للإلكترونيات والضوئية التي تمكّنها هذه التقنيات عرض نطاق ترددي أعلى عند مستويات استهلاك الطاقة المنخفضة ، ووضع ضوئي السيليكون كعامل تمكين رئيسي لتحسين مرونة مركز البيانات ، وكفاءة الطاقة ، وخفض التكلفة.

 

 

تقنيات تعدد الإرسال لتوسيع نطاق النطاق الترددي

---

 

تقسيم الفضاء تعدد الإرسال

 

يعد تنفيذ تقنيات الإرسال الضروري لتوسيع نطاق النطاق الترددي للترابط في تقنيات ربط مركز البيانات الحديثة. تعدد الإرسال في تقسيم الفضاء (SDM) ومضاعفات تقسيم الطول الموجي (WDM) بشكل فعال الاستفادة من التوازي المتأصل في بنيات الكمبيوتر وتبديل الرقائق ، مما يجعلها أكثر تقنيات الإرسال التي تم نشرها على نطاق واسع في بيئات مركز البيانات.

 

مقارنة تقنيات التعدد

 

يتضمن أبسط نهج لزيادة النطاق الترددي من خلال SDM تكريس الألياف الفردية لكل قناة ، مع نشر صفائف الليزر والكاشف الضوئي في كلتا النقطة. تم نشر أجهزة الإرسال والاستقبال البصرية المتوازية التي تستخدم ألياف الشريط وموصلات MPO على نطاق واسع في مركز البيانات وبيئات حوسبة الأداء العالية-.

 

إلى جانب تطبيقات كبل الشريط المتوازية التقليدية ، اكتسبت تقنية Multi - Core Fiber (MCF) التي تم تطويرها أصلاً لفترة طويلة - عن بعد الاتصالات السلكية واللاسلكية في تطبيقات مركز البيانات. تمكن تقنية MCF النوى المتعددة من مشاركة الكسوة الواحدة داخل ألياف واحدة ، ومن خلال استخدام مقرنات الصرف ، يمكن توصيل MCF مباشرة بصفائف الليزر والكاشف الضوئي باستخدام موصلات LC التقليدية. يعمل هذا النهج على تحسين كثافة الترابط بشكل كبير عن طريق تمكين المزيد من النوى (وبالتالي المزيد من النطاق الترددي) داخل كابل واحد.

 

طول الموجة تعدد الإرسال

 

تتطور تقنية WDM ، التي تم نشرها على نطاق واسع في مترو وطويل - على مدار العقود الماضية ، الآن لمعالجة المتطلبات الفريدة لتقنيات التوصيل البينية لمركز البيانات القصيرة -. يعتمد اعتماد WDM في بيئات مركز البيانات على الحاجة إلى تقليل النفقات العامة الكابلات مع زيادة عرض النطاق الترددي للارتباط بشكل مستمر.

 

 

يجب أن يعالج تنفيذ WDM في تقنيات مركز البيانات البيني العديد من الاعتبارات الحرجة:

 

اعتبارات البنية التحتية الألياف

---

 

يمثل الاختيار بين ألياف الوضع المفردة - قرارًا حاسمًا في تنفيذ تقنيات ربط مركز البيانات. بينما تهيمن MMF - على الربط التقليدي على الرف - لـ - رف الاتصالات بمعدلات خط 10G بسبب انخفاض تكاليف جهاز الإرسال والاستقبال ، فإن حدود MMF من حيث المونيت (7). مسافات أقصر.

 

مقارنة أداء نوع الألياف

 

تقدم تقنية SMF العديد من المزايا المقنعة لنشرات مركز البيانات. باعتبارها تقنية تجارية ناضجة ، منخفضة- مع بنية بسيطة ، تم استخدام SMF في صناعة الاتصالات منذ عقود. يمكن أن يدعم SMF واحد عشرات مئات من terabits في الثانية من عرض النطاق الترددي من خلال تقنية WDM ، حيث تعمل أزواج متعددة من أجهزة الإرسال والاستقبال بأطوال موجية مختلفة داخل نفس الألياف.

 

 

تصبح مزايا SMF - تقنيات ربط مركز البيانات المستندة إلى متزايدة مع مراكز البيانات من 10GE إلى 40GE و 100GE و 400GE. توفر تطبيقات SMF وفورات كبيرة في تكاليف الكابلات وخفض حجمها عبر أجيال هندسة الشبكة ، مما يوفر مزايا في كل من النفقات الرأسمالية والتشغيلية.

 

يتم تعزيز قابلية توصيل النطاق الترددي للترابط إلى حد كبير مع SMF ، حيث يمكن زيادة معدلات قناة الطول الموجي داخل نفس الألياف بدلاً من طلب ألياف متوازية إضافية كما في ربطات MMF. يتم تمديد نطاق التوصيل القصوى أيضًا بشكل كبير مع تقليل متطلبات عدد الألياف ومساحة لوحة التصحيح.

 

الطاقة - الترابط البصري النسبي

---

 

استهلكت شبكات مركز البيانات الهرمية التقليدية طاقة قليلة نسبيًا مقارنة بالخوادم الناتجة عن تقارب عرض النطاق الترددي العالي في كل معدلات استخدام الخادم المنخفضة. ومع ذلك ، في المقياس - ، حولت بنية الشبكة ، زيادة كبيرة في عرض النطاق الترددي للبشر واستخدام الخادم المحسّن استهلاك طاقة الشبكة من أقل من 12 ٪ إلى جزء كبير من استهلاك الطاقة الإجمالي لمركز البيانات.

 

توزيع طاقة مركز البيانات

 

إلى جانب نشر أجهزة التحكم البصرية المنخفضة - ، يمكن تحسين كفاءة الشبكة عن طريق جعل استهلاك طاقة الاتصال يتناسب مع كمية البيانات المرسلة. تتيح تقنيات التوصيل البيني لمركز البيانات الحديثة ذلك من خلال إمكانات النطاق الديناميكي في كل من توصيل الطاقة وعرض النطاق الترددي.

 

تعرض التوصيلات البصرية ودوائر Serializer/Deserializer المرتفعة المرتبطة بها- نطاقات ديناميكية كبيرة في الطاقة وعرض النطاق الترددي. يمكن لبطاطا التبديل التجاري ضبط معدلات بيانات الارتباط يدويًا عبر قنوات متعددة ، مع كل قناة قادرة على التشغيل بسرعات تصل إلى 10 جيجابايت/ثانية. تتيح هذه المرونة نطاقًا ديناميكيًا بنسبة 64 ٪ في استهلاك الطاقة و 16 × في الأداء ، مما يسمح بتنشيط عدد أقل من القنوات وتشغيلها بمعدلات بيانات أقل لتقليل استهلاك طاقة الارتباط البصري.

يدعم كل من بروتوكولات Infiniband و Ethernet تكوين الارتباط بسرعات وعرضات محددة ، مع أوقات إعادة توجيه الارتباط التي تتراوح من النانو ثانية إلى الميكروثانية. عندما تتغير معدلات الارتباط بين 10 جيجابايت/ثانية ، 20 جيجابايت/ثانية ، و 40 جيجابايت/ثانية مع جميع القنوات الأربع نشطة ، فإن الرقاقة تقوم ببساطة بضبط عرض النطاق الترددي لاستقبال البيانات (CDR) و RE - قفل CDR. نظرًا لأن معظم تطبيقات Serdes الحديثة تستخدم CDR الرقمية في مسار الاستقبال ، فإن عملية القفل لمعدلات البيانات المختلفة سريعة ، وعادة ما تكمل ضمن 50 نانو ثانية في ظل الظروف العادية و 100 نانو ثانية في سيناريوهات الحالة-.

 

 

التعديل المتقدم ومعالجة الإشارات

---

 

في حين أن تعدد الإرسال للفضاء والطول الموجي يمثلون الأساليب الأساسية لتوسيع نطاق النطاق الترددي في تقنيات ربط مركز البيانات ، فإن التقنيات الأخرى مثل تقسيم التردد المتعامد البصري متعدد الإرسال (O - ofdm) و multi - أو تنسيقات التعديل المتقدم يمكن أن تمتد بشكل أكبر {}}}}}-. ومع ذلك ، تتطلب هذه الطرق وحدات تحويل المعدل لترميز الإشارات ، إلى جانب رقائق ASIC لمعالجة الإشارات الرقمية (DSP) والتناظرية - إلى - الرقمية/الرقمية/الرقمية - للتطبيق- ، مما يؤدي إلى عقوبات كبيرة من الطاقة التي قد تكون تكلفة-.

 

 

تستمر التجارة - بين الكفاءة الطيفية واستهلاك الطاقة وتنوع المسار وتعقيد الكابلات في التأثير على تصميم تقنيات ربط مركز البيانات. بالنسبة لشبكات البناء intra - ، فإن الطبولوجيا الشبكية ذات الاتصال الغني أمر مرغوب فيه ، مما يسمح ببعض التضحية في الكفاءة الطيفية لتحقيق انخفاض استهلاك الطاقة ، وتقليل تكاليف الإرسال والاستقبال ، وهياكل الشبكة الأكثر ثراءً. ومع ذلك ، في طبقات التجميع الأعلى أو في شبكات البناء inter - حيث يتركز عرض النطاق الترددي على النقطة - إلى - ، يصبح نشر الألياف المظلمة أن النشر المظلم باهظ التكلفة ، ويصبح تقسيم الطول الموجي الكثيف (DWDM) مع الكفاءة الطيفية العليا.

 

 

تحديات التكامل والتعبئة

---

 

يعتمد النشر الناجح لتكنولوجيات مركز بيانات البيانات التالية- بشكل كبير على التغلب على مختلف تحديات التغليف والتكامل. نظرًا لزيادة معدلات الاتصال الداخلية- تتجاوز 10 جيجابايت/ثانية ، يتم استبدال الكابلات النحاسية التقليدية بالمكونات البصرية بسبب الطبيعة الضخمة ، والاستهلاك المرتفع ، وخسائر كبيرة في الكابلات النحاسية السلبية والنشطة بمعدلات بيانات عالية ، مما يحد من استخدامها إلى نطاقات قليلة فقط.

 

 

يعد تبني حلول التغليف البصرية ic - ، مثل تقنية ذروة الضوء ، بإحداث ثورة في اتصال مركز البيانات من خلال التكلفة المنخفضة- ، وأجهزة قصيرة - المسافة البصرية. ستشهد السنوات القادمة تسويق بطاقات واجهة الشبكة (NIC) التي تتميز بوجود واجهات بصرية منخفضة- التكلفة. بالإضافة إلى ذلك ، سوف تتضمن رقائق التبديل الدعم PHY الأصلي للواجهات التسلسلية 10G ، مما يقلل من التكاليف واستهلاك الطاقة.

 

يمثل دمج الضوئيات مع الإلكترونيات معلمًا مهمًا في تقدم تقنيات ربط مركز البيانات. يتيح الاقتران الضيق بين المكونات الإلكترونية والضورية عرض النطاق الترددي الأعلى عند مستويات استهلاك الطاقة المنخفضة ، في حين أن عمليات التصنيع المتوافقة مع CMOS- تعد بتقليل التكاليف من خلال وفورات الحجم. ومع ذلك ، فإن إدراك هذه الفوائد يتطلب مواجهة العديد من التحديات المتعلقة بالإدارة الحرارية وكثافة التغليف وعائد التصنيع.