Präzise Messungen für die CPO-Bewertung Datacenter können künftig auf photonisch-elektronische Konvergenz­technologie nicht mehr verzichten

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Aufgrund der Kapazitätsbeschränkungen in Ballungsräumen geht der Trend zunehmend in Richtung dezentraler regionaler Rechenzentren. Zusammen mit der Einführung optischer kohärenter Übertragungen wie 400G-ZR und OpenZR+ ist die präzise Visualisierung der Leitungsqualität der Schlüssel zum Erfolg.

Der rasante Anstieg der Nachfrage nach Künstlicher Intelligenz (KI) hat die Entwicklung von Rechenzentren weltweit beschleunigt und zu einem explosionsartigen Anstieg der Rechenleistung geführt. In Japan zum Beispiel stößt man jedoch aufgrund des geringen Platzangebots und des überlasteten Stromnetzes in Ballungsräumen wie Tokio, Chiba und Osaka an Kapazitätsgrenzen. Diese Situation hat bereits zum Aufbau dezentraler Rechenzentren in ländlichen Gebieten geführt.

Zur Unterstützung dieser Dezentralisierung sind Hochgeschwindigkeitsverbindungen mit großer Kapazität und geringer Latenzzeit für Rechenzentren unerlässlich. Die Kommunikationsgeschwindigkeit von 400G wird zum Mainstream, während die Entwicklung von 800G-kompatiblen Produkten voranschreitet. Gleichzeitig wird jedoch der mit höheren Übertragungsgeschwindigkeiten einhergehende Anstieg des Stromverbrauchs zum Problem.

Co-Packaged Optics (CPO), eine optische Gerätetechnologie, die die Konvergenz von Photonik und Elektronik nutzt, wird voraussichtlich der Schlüssel zur Lösung dieses Problems sein. Daiki Mochizuki, Direktor des Solutions Marketing Department der Service Infrastructure Solutions Division von Anritsu, sagt: „Auch Hyperscaler achten auf CPO, und die praktische Anwendung gewinnt an Dynamik.“

Das Wesen von Co-Packaged Optics

CPO ist eine Architektur, die den Übertragungsverlust und den Stromverbrauch erheblich reduzieren kann, indem sie optische Transceiver im gleichen Gehäuse wie den Switch-ASIC implementiert und gleichzeitig die Länge der elektrischen Verkabelung so weit wie möglich verkürzt. Dies trägt auch zum Ziel der „IOWN“-Initiative bei (IWON steht für Innovative Optical and Wireless Network), den Stromverbrauch auf 1/100 zu reduzieren, und zieht daher die Aufmerksamkeit als Kerntechnologie zur Unterstützung der Infrastruktur der nächsten Generation auf sich.

Das Potenzial von Co-Packaged Optics und optischen Wellenleitersubstraten

Der Sprung zur Fiber-to-the-Chip-Technologie

Im Gegensatz zu steckbaren optischen Transceivern, die leicht auszutauschen sind, kann bei CPOs im Falle eines Ausfalls der Austausch des gesamten Geräts erforderlich sein. Daher sind präzisere Messungen und Bewertungen als in der Vergangenheit erforderlich, um die Zuverlässigkeit in der Entwicklungs- und Fertigungsphase zu gewährleisten.

Umfassende Messanwendungen zur Qualitätsverbesserung von CPO

Bei CPO liegen die optischen Elemente und die ASICs extrem nahe beieinander, was es sehr schwierig macht, die Leistung nach der Implementierung zu garantieren und den Punkt der Verantwortung zwischen den Anbietern zu identifizieren. Anritsu bietet Mess-Systeme, um dieses Problem zu lösen.

Zunächst gibt es da den Bit Error Rate Tester (BERT), „MP1900A“. Dabei handelt es sich um ein Instrument, das Übertragungsfehler sichtbar macht, indem es ein Testsignal durch ein Gerät leitet, das selbst kleinste Bit-Fehler genau erkennen kann.

„MP2110A“ dagegen ist ein optisches Abtastoszilloskop, das die Wellenformen und den Jitter von optischen Hochgeschwindigkeitssignalen analysiert. Als solches wird es häufig in Produktionslinien für steckbare optische Transceiver wie QSFP-DD eingesetzt.

Aufgrund einer hohen Wiederholbarkeit und Messgenauigkeit wird es zunehmend für die Bewertung der Signalqualität in neuen Architekturen wie CPO eingesetzt. Diese Geräte sollen ein quantitatives Verständnis der Signalqualität und Modulationsintegrität durch Augendiagramm-Messung ermöglichen, die mehrere Signalwellenformen durch Überlagerung visualisiert.

Wer nutzt das?

„MS9740B“ wiederum zeigt die optische Wellenlängencharakteristik optischer Geräte, während das Gerät das optische Signal-Rausch-Verhältnis (OSNR) und das Seitenmodenunterdrückungsverhältnis (SMSR) misst. „Um die Qualität optischer Geräte zu gewährleisten, ist es notwendig, Messungen aus einer Vielzahl von Perspektiven zu unterstützen", betont Mochizuki und führt aus, dass diese Instrumente nicht nur von der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von NTT, sondern auch von großen Geräteherstellern häufig eingesetzt werden.

Der praktische Betrieb eines verteilten Rechenzentrums erfordert, dass das Netzwerk mehrere geografisch entfernte Standorte so behandelt, als wären sie ein einziges Rechenzentrum. Zu diesem Zweck ist es unerlässlich, die Latenz und Qualität der Kommunikation präzise messen und verwalten zu können.

Der „Network Master Pro MT1040A“kann laut Hersteller diese Anforderung erfüllen. Das System unterstützt mehrere Kommunikationsstandards einschließlich 400G Ethernet. Es ist außerdem mit einer Vorwärtsfehlerkorrektur-Analysefunktion (FEC) ausgestattet, die eine umfassende Überprüfung der Kommunikationsqualität von der physikalischen Schicht bis zur Netzwerkschicht ermöglicht. Insbesondere unterstützt es digitale kohärente Übertragungstechnologien wie 400G-ZR und OpenZR+, wobei Messungen sowohl auf der IP- als auch auf der optischen Ebene möglich sind.

Weitere Nutzer

Bis vor kurzem waren die Hersteller von Transpondern die Hauptnutzer des Geräts, aber mit der Verbreitung von 400G-ZR/OpenZR+-Transceivern, die keine Transponder benötigen und direkt auf Routern montiert werden können, wird ihr Einsatz auf die Gerätehersteller ausgeweitet, die mit kohärenten Signalen arbeiten, sowie auf Nutzer, die so genannte ROADM-Netze aufbauen.

Der Einsatz von 400G-ZR/OpenZR+-Transceivern reduziert zwar sowohl die Anzahl der Geräte als auch den Stromverbrauch, erfordert aber auch, dass die Nutzer, die mit Carrier-Netzwerken zu tun haben, die Netzwerkqualität selbst bewerten, eine Aufgabe, die bisher von den Telekommunikationsunternehmen übernommen wurde. MT1040A, das QSFP-DD unterstützt, spielt hier eine wichtige Rolle, da es sich direkt an 400G-ZR/OpenZR+-kompatible Transceiver anschließen und die End-to-End-Kommunikationsqualität messen kann.

Mitsuhiro Usuba, Leiter der Abteilung, erläutert: „Immer mehr Unternehmen erwägen die Einführung der 400G-ZR, die immer mehr herstellerübergreifend kompatibel ist, aber einige sind besorgt über ihren Betrieb. Deshalb bringen wir die Technik MT1040A zum Kunden, um Latenz und Durchsatz zu messen und die Einführung zu unterstützen.“

Die Abbildung oben zeigt ein Beispiel für die Messung von 400G-ZR-Netzwerkqualität mit MT1040A. Zwei der Geräte sind über Dark Fiber mit den Enden eines ROADM-Netzwerks (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer-Netzwerks) verbunden. Auf diese Weise wurden Verbindungsabbrüche aufgrund vorübergehender Einbrüche der Empfangsleistung, die zur Wiederherstellung der Verbindung erforderliche Zeit und die Erkennungsbedingungen bei fehlendem Empfangslicht im Detail beobachtet.

Darüber hinaus erfasst MT1040A Qualitätsschwankungen, die durch normale BER-Messungen nicht erkannt werden können, wie die State-Of-Polarization Rate-Of-Change (SOP ROC).

Anritsu entwickelt aber auch virtuelle Tester für 5G MEC und Cloud-native Umgebungen weiter. Ziel ist es, End-to-End-Latenz- und Durchsatzmessungen zu ermöglichen, indem virtualisierte Softwaretester auf der Serverseite eingesetzt werden, selbst in Umgebungen, in denen es physisch schwierig ist, Tester zu installieren, etwa in Rechenzentren oder in der Automobilindustrie.

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