Innovationen der Kabeltechnik Alle Fäden bereits in der Hand

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Gleicher Platz, mehr Daten, der Druck steigt. Die Hochverfügbarkeit verteilter Arbeitslasten verschlingt Bandbreite; der Strombedarf zieht an. Nur die Leitungswege wollen nicht mitwachsen; die Kabeldichte muss also herauf. Der Bedarf nach räumlicher Effizienz ruft innovative Kabeltechnik auf den Plan.

Die Verkabelungsinfrastruktur von Rechenzentren muss datenhungrige Arbeitslasten, verteilte Anwendungsarchitekturen, latenzkritische Datenflüsse und steigende Leistungsanforderungen über mehrere Generationen von RZ-Hardware hinweg überbrücken und Leistungsreserven bereithalten.

KI/ML, der 5G-Rollout und der Pandemie-bedingte Aufbruch in das Home-Office führten zu einem sprunghaften Anstieg der Auslastung bestehender Infrastrukturen. Die Übertragungsgeschwindigkeit muss einen weiteren Zahn zulegen; die Latenz muss weiter sinken.

Immer mehr Unternehmen wollen ihre Rechenzentren „cloudifizieren“. Das Marktforschungsinstitut Gartner prognostiziert, dass bis zum Jahr 2025 acht von zehn Unternehmen von ihren On-Premise-Rechenzentren vollständig auf MTDC (Multi-Tenant Data Centers), Hosting und Cloud-Umgebungen umsatteln. Denn mit steigender Größe lassen sich neue Synergien ausloten.

Der Trend gewinnt auch in der Bundesrepublik deutlich an Fahrt. Laut Zahlen von Vertiv möchten knapp 40 Prozent der befragten Unternehmen in Deutschland ihre IT zumindest teilweise auf externe gehostete Clouds umstellen. So wachsen Rechenzentren in ihrer physischen Größe und ihrem Appetit auf Strom und Bandbreite weiter und „verdichten“ sich um die Wette. Inmitten dieser Transformation sollen neue Standards den Weg hin zur erhöhten Investitionssicherheit ebnen.

Jetzt wird es eng!

Die Dichte der Konnektivität wächst, angetrieben von dem Drang nach einer höheren Kosteneffizienz und der Explosion datenintensiver Arbeitslasten. Gleichzeitig nimmt die Dezentralisierung von RZ- und Edge-Infrastrukturen zu; mit ihr steigt der Bedarf an zeitgemäßer Konnektivität weiter – wohlgemerkt über bestehende Leitungswege. So schließt sich der Kreis.

Hochverdichtete Glasfaser mit hoher Leistung und geringen Installationskosten sind seit jeher das heilige Gral von RZ-Interconnects. Bei Neubauten kommt im Idealfall gleich die schnellste verfügbare Verkabelung gemäß der neuesten Standards zum Zuge. Denn beim Aufrüsten sind den RZ-Betreibern oft die Hände gebunden. Da sich der Platz für die Verkabelung nicht so ohne Weiteres erhöhen lässt, liegt es nahe, wann immer möglich, den Weg zu den schnellsten Standards einzuschlagen.

Im Rechenzentren geht es daher im Außen- wie im Innenbereich mit einer steigenden Dichte und verstärkt mit Lichtgeschwindigkeit zur Sache. Innovative Kabelkonstruktionen, darunter hochdichte Mini- beziehungsweise Mikrokabel und extrem dichte Bändchenkabel, erreichen den begehrten Mix aus wünschenswerten Leistungsparametern.

Während die theoretische obere Grenze von Glasfaser bei Lichtgeschwindigkeit liegt, machen Kupferkabel bei derzeit 40 Gbit/s Schluss. Auch in der realen Welt sind Photonen um ein Vielfaches schneller als elektrische Signale und energieeffizienter. Lichtwellenleiter sind langlebiger als Kupferdrähte, aber schlagen bei der Installation immer noch deutlich stärker zu Buche.

Die weltweite Verknappung von Glasfaserkabeln führt nicht nur zu Lieferverzögerungen, sondern hat auch Preissteigerungen nach sich gezogen. Nach Angaben des Marktforschungsunternehmens Cru Group sind Lichtwellenleiter seit dem Rekordtief im März 2021 in der ersten Jahreshälfte von 2022 in Europa, Indien und China um bis zu 70 Prozent gestiegen (die U.S.A. sind vorerst kaum betroffen). „In meiner beruflichen Laufbahn habe ich so etwas wie diese Inflationskrise noch nie erlebt", kommentierte Wendell Weeks, Vorstandsvorsitzender von Corning, dem weltweit größten Hersteller von Glasfaser, im Juli 2022 gegenüber der Financial Times.

Ungeachtet der Vorteile von Lichtwellenleitern setzt sich im Rack auch Kupfer durch: die sogenannten DACs. Der Rack ist wohl die letzte Enklave, in der sich Kupferkabel immer noch tapfer schlagen; auf längeren Strecken haben sie wegen des höheren Energieverbrauchs nach und nach den Boden an Glasfaser verloren, weil jenes ohne Signalverstärkung auskommt.

Die wachsende Popularität von Lichtwellenleitern reflektiert sich nicht zuletzt in dem steigenden Bedarf nach optischen Modulen.

Laut Angaben des Marktforschungsinstituts LightCounting ist der Umsatz mit optischen Ethernet-Transceivern im Jahr 2020 mit einer Wachstumsrate von 34% beinahe explodiert, nachdem eine „Schrumpfkur“ im Jahre zuvor (2019) zu einem Rückgang der Lieferungen um 18% geführt hatte. Im Jahre 2021 hat sich das Wachstum zwar etwas verlangsamt, der Markt konnte aber dennoch um satte 24% zulegen und damit einen neuen Umsatzrekord von 4,6 Milliarden USD verbuchen.

Das Analystenhaus LightCounting prognostiziert dem Markt eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) in Höhe von 14% im Zeitraum zwischen 2022 und 2027. In diesem Tempo dürfte das Marktvolumen für optische Ethernet-Transceiver bis zum Ende des Prognosezeitraums in 2027 auf 10 Milliarden USD anschwellen.

Doch Spitzenleistung hat ihren Preis. Besonders bei strukturierter Verkabelung müssen Unternehmen recht tief in die Tasche greifen.

Abhilfe können AOCs (Active Optical Cables) schaffen. Diese Kabel kommen steckerfertig daher: als einfache Kabelbaugruppen in Standardlänge, gleich mit werkseitig angeschlossenen Transceivern an beiden Enden, ob in 10G (SFP+), 25G (SFP28), 40G (QSFP+), oder 100G (QSFP28), mit Breakouts von 40G auf 4x10G oder 100G auf 4x25G.

Doch datenhungrige, latenzsensible Arbeitslasten brauchen nicht nur schnelle Kabel, sondern auch leistungsstarke Übertragungsprotokolle. Entsprechend rasant entwickeln sich die Standards, besonders im Falle von Ethernet. Während die Industrie auf 400G aufgerüstet und Vorreiter mit dem Gedanken an 800G spielen, steuern aktuelle Entwürfe auf Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 1,6 T zu.

Auf zu 800G- und 1.6T-Ethernet

200G-Ethernet nach 802.3bs ist bereits kalter Kaffee. Die Umstellung 400G läuft auf vollen Touren. Doch nichts bleibt stehen. Auf geht es für die Vorreiter zu 800 GbE und 1.6 TbE. Die Hyperscaler schreiten bereits mit gutem Beispiel voran. Der übrigen Branche steht die Umstellung von 400G auf 800G erst noch bevor.

Das Ethernet Technology Consortium hat die 800 GbE-Spezifikation bereits im Jahre 2020 veröffentlicht. Die Industrieallianzen OSFP MSA Group (ein Konsortium von über 100 Unternehmen, osfpmsa.org) und QSFP-DD MSA Group (QSFP-DD) haben inzwischen auch schon bereits die technischen Eckdaten für 800G-Transceiver veröffentlicht. Die 800G Pluggable MSA (800gmsa.com) tüftelt an optischen PMD-Spezifikationen sowie dem Multiplexing von 100GbE- und 400GbE-Signalen auf der Host-Seite. Sie stützt sich dabei auf physikalische Modulformfaktoren, die andere MSAs abdecken (wie eben die OSFP MSA und QSFP-DD MSA).

Neue Steckverbinder sollen eine höhere Leistung und eine verbesserte Kühlung ermöglichen.

Die Roadmap von Fibre Channel

FibreChannel schlägt sich weiterhin tapfer. Die Roadmap avisiert Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 1 Tb/s (1TFC); die technische Vervollständigung des Standards ist für 2033 geplant. Die achte Generation von Fibre Channel ist mit der Veröffentlichung der Norm für 128GFC im Jahre 2022 gerade erst aus den Startlöchern; bis zum Jahre 2025 möchte die FCIA (Fibre Channel Industry Association) mit 256GFC nachkarten.

Über diese Normen wacht die INCITS T11, ein Ausschuss der Accredited Standards Committee NCITS (National Committee for Information Technology Standards). Für die Normierung von FCoE (Fibre Channel over Ethernet) fühlt sich die IEEE zuständig. Der aktuelle Standard wurde im Jahre 2020 verabschiedet und unterstützt 768 Gbps in 400GFCoE.

InfiniBand mit sinkendem Latenzvorsprung

Die aktuelle Generation von Infiniband hat im Jahre 2020 Marktreife erreicht und trägt die Kennung NDR (Next Data Rate). Sie erreicht eine Datentransferrate von 100Gbps pro Link und bringt es mit bis zu 12 davon auf ganz respektable 1,2Tbps. Zum Vergleich: die Vorgängergeneration des Standards macht mit ebenfalls bis zu 12 Verbindungen gerade einmal 600Gbps. Mit EDR ist bei 300Gbps Ende der Fahnenstange erreicht.

Dennoch hat InfiniBand seinen mehrfachen Latenzvorsprung gegenüber Ethernet-Switching im Laufe der vergangenen Jahre stark eingebüßt. Aktuelle Hochleistungs-Switches von Anbietern wie Cisco und Juniper Networks haben den ihn von dem Faktor fünf auf nur noch etwa das Zweifache reduzieren können.

eBook

Das physische Datacenter-Datennetz

Strippen ziehen

Gleicher Platz, mehr Daten, der Druck steigt. Die Hochverfügbarkeit verteilter Arbeitslasten verschlingt Bandbreite; der Strombedarf zieht an. Nur die Leitungswege wollen nicht mitwachsen; die Kabeldichte muss also herauf.

Doch sind hochverdichtete Glasfaser mit hoher Leistung und geringen Installationskosten seit jeher der heilige Gral von Datacenter-Interconnects. Was also ist neu?

Hier das Inhaltsverzeichnis des eBook:

• Alle Fäden bereits in der Hand
• Verkabelungsstandards: Was gehört ins Rechenzentrum?
• Kabeltypen und Topologien: Wohin mit dem Kabelsalat?
• Kabel-Management: die hohe Dichte im Serverschrank

  
  >>> eBook „Strippen ziehen“ zum Download

Infiniband-Standards unterliegen der Governance durch die Infiniband Trade Association. Im Lenkungsausschuss der Organisation sitzen HPE, IBM, Intel und Nvidia. Die Standards adressieren hauptsächlich HPC-Anwendungen.

Das Ethernet Technology Consortium (ETC) und die Ethernet Alliance haben der InfiniBand Trade Association mit der Ethernet-Roadmap kräftig zugesetzt. Die Anwender haben jetzt die Qual der Wahl.

Hyperscalern wie Google ist selbst das schnellste Ethernet nicht schnell genug.

Eine OSI-Ebene „tiefer legen“: Aquila

Aus Frustration über Herausforderungen der Implementierung Cloud-nativer Konnektivität mit althergebrachten Standards und Protokollen hat Google ein neues Netzwerkgewebe namens Aquila aus dem Boden gestampft. Das Ziel besteht darin, die Netzwerklatenz gegenüber Clos-Netzen der Hyperscaler und Hyper-X in HPC weiter zu senken. Intel hatte vor einigen Jahren mit Omni-Path (einer Variante von InfiniBand) einen ähnlichen Versuch unternommen, hat sich dann aber entschlossen, das Projekt an Cornelis Networks abzustoßen.

Aquila (lateinisch so viel wie „Adler“) verbindet eben einige der besten Ideen von InfiniBand und Crays Interconnect Aries (dieser ist inzwischen im Besitz von Intel) und macht sich die Dragonfly-Topologie mit adaptivem Routing zu Nutze. Aquila debütiert ein eigenes Switching-Protokoll namens GNet, eine neuartige ASIC-Netzwerkschnittstelle, das sogenannte ToR-in-NIC (kurz: TIN) und eine eigene Switch- und Schnittstellenlogik. GNet gaukelt den Hosts Ethernet durch Tunneling auf Layer 2 des OSI-Modells vor.

Vorerst hat Googles Initiative noch den Status einer wagemutigen Technologiestudie. Doch sie zeigt den Weg auf, wie sich latenzkritische Konnektivität moderner Arbeitslasten in einem disaggregierten Netzwerkgewebe parallel zum konventionellen Ethernet über eine Kombination aus Kupfer und Glasfaser kostengünstig umsetzen ließe.

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