Anpassung an eine sich entwickelnde Rechenzentrumslandschaft Optische Konnektivität in modularen, verteilten Rechenzenten

Die Gegenwart und die Zukunft noch viel mehr besteht aus Hyperscale-Rechenzentren plus kleineren sowie modulare Rechenzentren. Die sich verändernde Datacenter-Landschaft erfordert ein Überdenken von deren Zusammenschaltung. Datacenter Interconnect kann kein Einheitsansatz bleiben.

Die Reise in Sachen Rechenzentren hat mit lokalen Datacenter auf dem Unternehmenscampus begonnen. Dann kam die Phase riesiger Hyperscale-Rechenzentren in wichtigen Ballungszentren wie London, Chicago, Tokio, Frankfurt oder Singapur.

Jetzt werden zunehmend kleinere, modulare Rechenzentren mit geringerem Stromverbrauch gebaut, entweder als einzelne Einheiten oder als Teil von Campus-Umgebungen mit mehreren Mietern und mehreren Gebäuden. Anstatt 50 bis 150 Megawatt zu verbrauchen, nehmen sie nur einen Bruchteil der Fläche und des Stroms eines Hyperscale-Rechenzentrums im Anspruch.

Sie lassen sich einfacher und schneller errichten, benötigen kleinere Grundstücke und verteilen ihren Energiebedarf auf die lokalen Stromnetze. Ihre Nähe zu den Verbrauchern führt zudem zu geringeren Latenzzeiten, wenn sie sich näher an den Datenverbrauchern befinden. Aber sie benötigen immer eines: optimale Konnektivität.

Keine Inseln

Rechenzentren existieren nicht in Isolation. Sie benötigen mehr und mehr optische Hochgeschwindigkeitsnetze, um sie mit anderen Rechenzentren, den Menschen und Anwendungen zu verbinden, die ihre Rechen- und Speicherressourcen nutzen, einschließlich der schnell wachsenden Anwendungen für künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen wie „ChatGPT“.

Diese Konnektivität kann lokal, regional oder möglicherweise auch über Unterseekabel erfolgen. Die Frage ist, wie lässt sich Datacenter-Interconnect-Einsatz (DCI) weiterentwickeln und anpassen, um die wachsenden Kapazitätsanforderungen expandierender Hyperscale-Rechenzentren zu erfüllen und gleichzeitig die Vielfalt kleinerer, modularer und verteilter Rechenzentren zu unterstützen?

Die Antwort ist dreifach: kompaktere modulare optische Plattformen, Innovationen bei eingebetteten und steckbaren kohärenten optischen Engines und ein größeres Übertragungsspektrum pro Faserpaar. Kurz gesagt, es gilt, die anfängliche DCI-Kapazität und -Investition richtig zu bemessen, um den Übertragungsanforderungen des Rechenzentrums vom ersten Tag an gerecht zu werden und gleichzeitig eine kosten- und energieeffiziente Erweiterung im Laufe der Zeit zu ermöglichen.

Ein Chassis für jede Umgebung

Die DCI-Kategorie optischer Produkte begann 2015 mit dem Debüt kleiner, schnell einsetzbarer serverähnlicher Transponder mit kohärenten optischen Engines. Seitdem hat sich die Branche auf kompakte modulare Plattformen mit Schlitten verlagert, die je nach gewünschter Funktionalität kombiniert werden können.

Zu den zusätzlichen Chassis-Optionen gehören nun auch solche, die 600 Millimeter (mm), 450 mm und sogar 300 mm tief sind, um eine breite Palette von Platzanforderungen und Rechenzentrumsumgebungen abzudecken. Obwohl einzelne Chassis eine oder zwei Rack Units (RU) hoch sind und eine oder zwei Reihen von Sleds unterstützen, lassen sie sich jetzt mit Multi-Chassis-Konnektivität erweitern, die eine einfache Erweiterung ermöglicht, während sie gleichzeitig als ein einziges Netzwerkelement verwaltet und betrieben werden können.

So können DCI-Betreiber mit einem 1RU- oder 2RU-Gehäuse (RU = Rack Unit) beginnen und es nach Bedarf erweitern, um die Kosten an die Kapazität anzupassen. Die neuesten kompakten modularen Plattformen sind außerdem so konzipiert, dass sie die Kombination und Anpassung von optischen Leitungssystemen und Transponderschlitten unterstützen.

Dieser Ansatz ist der Schlüssel zur Kostenminimierung bei kleineren DCI-Implementierungen, da er es ermöglicht, sowohl Leitungs- als auch Transponderfunktionen in einem einzigen Chassis zu kombinieren, anstatt mehrere Einheiten, die bei einem dedizierten Designansatz pro Funktion erforderlich sind.

Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit

Mit der zunehmenden vertikalen Integration entwickeln sich die führenden kohärenten optischen Engines gleichzeitig in zwei Richtungen weiter:

• Erstens mit kleineren Pluggables mit geringerer Leistung, die bis zu 1.000 Kilometer (km) oder mehr erreichen können,

• und zweitens mit eingebetteten, schlittenbasierten optischen Engines mit hochentwickelter Sende- und Empfangstechnologie, die die Kapazitätsreichweite und die spektrale Effizienz maximieren.

Die heutigen steckbaren kohärenten 400G-Transceiver passen in CFP2- und QSFP-DD-Gehäuse und werden mit 15 bis 25 Watt betrieben. Mit zunehmenden Fähigkeiten im kleineren QSFP-DD-Gehäuse wird IP over DWDM (IPoDWDM) allmählich direkt in Routern und Switches eingesetzt.

Es gibt eine große Auswahl an kohärenten 400G-Transceivern, darunter 400ZR, der über feste Einstellungen verfügt, nur Ethernet-Verkehr unterstützt und für DCI-Anwendungen bis zu 120 km ausgelegt ist. 400G ZR+ ist ein Sammelbegriff für 400G-Pluggables mit erweiterten Funktionen im Vergleich zu ZR, einschließlich erhöhter Programmierbarkeit, Unterstützung für OTN- und Ethernet-Verkehr und besserer optischer Leistung zur Unterstützung von Metro-Regional- und Langstreckenverbindungen. In Zusammenarbeit mit Arelion hat Infinera beispielsweise kürzlich in einem Feldversuch eine Reichweite von 1.800 km mit seinem ICE-X 400G ZR+ Pluggable demonstriert.

Punkt zu Punkt und Punkt zu Mehrpunkt

Es sind daneben 400G XR-Pluggables verfügbar, die sowohl hochleistungsfähige Punkt-zu-Punkt-Anwendungen wie ZR+ als auch Punkt-zu-Mehrpunkt-Einsätze über die digitale Subträgertechnologie unterstützen, bei denen ein einzelnes 400G-Pluggable gleichzeitig mit vielen anderen Geräten kommunizieren kann.

Das führt letztlich zu eingebetteten optischen Engines. Die heute führenden Engines liefern 800 Gigabit pro Sekunde (Gb/s) pro Wellenlänge bei Entfernungen von fast 1.000 km. Die gleichen 800G-Engines können 600 Gb/s bis zu 3.000 km und 400 Gb/s fast überall auf der Welt liefern, einschließlich der APAC-Unterwasserregion bei 10.000 km.

Weitere Entwicklungen sind im Gange, um 1,2 Tb/s pro Wellenlänge und mehr zu liefern. Aufgrund ihrer hohen Kapazitätsreichweite sind eingebettete optische Engines ideal für DCI-Konnektivitätslösungen über große Entfernungen, auch über Kontinente oder Ozeane hinweg. Eingebettete Engines sind auch ideal, wenn Glasfaserkabel knapp sind und eine hohe spektrale Effizienz erforderlich ist.

Kosten und Strom

Wenn der Betreiber eines Rechenzentrums beispielsweise Glasfaserkabel anmietet, können eingebettete optische Engines die Betriebskosten senken, indem sie die Datenübertragung über ein einziges Glasfaserpaar maximieren und so die zusätzlichen Kosten vermeiden, die mit dem Anmieten eines zweiten Glasfaserpaars oder dem Verlegen neuer Glasfasern verbunden sind.

Der Stromverbrauch der heutigen kohärenten optischen 800G-Engines hat sich ebenfalls drastisch verbessert: Sie verbrauchen 89 Prozent weniger Strom pro Bit als ähnliche Engines vor zehn Jahren.

DWDM-Netzwerke haben traditionell nur das C-Band-Faserspektrum genutzt. Aus der Not heraus haben Web-Scale-Betreiber mit Hyperscale-Rechenzentren schon früh die C+L-Band-Übertragung auf derselben Faser eingeführt.

Mehr Fahrspuren auf dem Highway

Hyperscale-Rechenzentren mit außergewöhnlichen Kapazitätsanforderungen können den Datenverkehr pro Glasfaserpaar verdoppeln, indem sie die aktuellen eingebetteten optischen Engines und ein optisches Leitungssystem verwenden, das die gleichzeitige Übertragung im C- und L-Band unterstützt. Obwohl das erweiterte C-Band und das L-Band heute jeweils 4,8 THz des angrenzenden Spektrums belegen, wurden Kapazitätssteigerungen pro Faserpaar in den letzten Jahren von spektral effizienteren kohärenten optischen Engines mit fortschrittlichen Modulationsschemata dominiert.

Da der Gewinn an spektraler Effizienz bei den optischen Systemen mit jeder neuen Generation abnimmt, ist ein neuer Ansatz erforderlich. Dank der Fortschritte bei optischen Leitungskomponenten wie Verstärkern und wellenlängenselektiven Schaltern lässt sich jetzt das Übertragungsspektrum sowohl im Super-C- als auch im Super-L-Band kostengünstig von 4,8 THz auf 6,1 THz erweitern.

Bei geringen zusätzlichen Kosten für die Infrastruktur des Leitungssystems kann das Spektrum und die Übertragungskapazität pro Faserpaar um 27 Prozent erhöht werden. Obwohl es noch zu früh ist, wird die Einführung von Super C und Super L DCI in den nächsten Jahren zu erwarten sein.

Verfasser: Tim Doiron, VP Solution Marketing bei Infinera

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