Innovative optische Verbindungen für zukünftige Rechenzentrumsnetzwerke

Mit der Entwicklung von Anwendungsszenarien ändern sich auch die Anforderungen der Nutzer an Rechenzentrumsnetzwerke, insbesondere an optische Transceiver. Bei Langstreckenanwendungen im Wellenlängenbereich steht die Leistung im Vordergrund, wobei größere Übertragungsdistanzen und eine verbesserte spektrale Effizienz angestrebt werden. Im Gegensatz dazu konzentrieren sich die Nutzer bei Kurzstreckenanwendungen in Rechenzentren mehr auf die Kosten und berücksichtigen Faktoren wie Entfernung, Größe und Stromverbrauch.

Gordon Moore, der Mitbegründer von Intel, führte das Mooresche Gesetz (engl.: Moore's Law) ein, das besagt, dass sich die Zahl der Transistoren in einem integrierten Schaltkreis alle 18 Monate verdoppelt. Dieser Grundsatz hat die Halbleiterindustrie über fünfzig Jahre lang geleitet. Auch in der Optoelektronik gibt es das „Optische Mooresche Gesetz“ (engl.: Optical Moore's Law), das besagt, dass optische Kurzstrecken-Transceiver etwa alle vier Jahre erheblich weiterentwickelt werden, was zu einer Halbierung der Kosten pro Bit und des Stromverbrauchs führt.

Um höhere Datenübertragungsraten zu erreichen, werden für optische Sende- und Empfangsgeräte in der Regel drei Strategien eingesetzt: Steigerung der Geschwindigkeit optischer Geräte (höhere Baudraten), Erhöhung der Anzahl der Kanäle (Multi-Lane) und Einsatz fortschrittlicher Modulationsverfahren. Diese Ansätze tragen dazu bei, die Übertragungskosten pro Bit zu senken und damit den Anforderungen des „Optischen Mooreschen Gesetzes“ gerecht zu werden.

Einführung der fortschrittlichen Modulationstechnik PAM4

PAM4 -Technologie (Pulse Amplitude Modulation 4) ist eine hocheffiziente Modulationstechnik, die die Bandbreitennutzung optischer Transceiver erheblich verbessert. PAM4-Signale werden für die Signalübertragung immer beliebter und lösen die NRZ-Kodierungsmethode (Non-Return-to-Zero) ab.

NRZ-Signale verwenden zwei Signalpegel, High und Low, um die digitalen Logiksignale 1 bzw. 0 darzustellen, wobei pro Taktzyklus ein Bit logischer Information übertragen wird. Im Gegensatz dazu verwenden PAM4-Signale vier verschiedene Signalpegel, die die Übertragung von 2 Bits logischer Informationen pro Taktzyklus ermöglichen, die durch 00, 01, 10 und 11 dargestellt werden. Dadurch erreichen PAM4-Signale bei gleicher Baudrate die doppelte Bitrate von NRZ-Signalen, was die Übertragungseffizienz verdoppelt und die Kosten senkt.

Die Einführung der PAM4-Technologie für 400G-Transceiver wird die Übertragungseffizienz verbessern und zu einer Senkung der Kosten von Transceivern führen.

Erhöhung der Anzahl von Kanälen (Multi-Lane)

Die Daten aus der Vergangenheit haben gezeigt, dass Lösungen mit mehr als 8 Lanes (z. B. x10, x16) Probleme mit der Kanalausnutzung und der Zuverlässigkeit haben, sodass sie sich nur schwer durchsetzen können. Eine kosten- und energieeffiziente Multi-Lane-Architektur basiert in der Regel auf x4- oder x8-Konfigurationen.

Die 100G-CWDM4- und 100G-SR4-Transceiver, die auf einer 4x25G-Architektur basieren, haben sich beispielsweise als Hauptlösungen für die vorherige Generation optischer Verbindungen in Rechenzentren durchgesetzt.

Optoelektronische Chips mit höherer Baudrate

Optische 100G-Transceiver für Rechenzentren, die auf der optoelektronischen 25Gbaud-Chip-Industriekette (DML, VCSEL) basieren, verwenden NRZ-Signalisierung und haben mit einer 4-Kanal-Architektur kommerziellen Erfolg erzielt. Verschiedene optoelektronische 25Gbaud-Chips (DML, EML, VCSEL) werden nun zu höheren Baudraten von 56Gbaud weiterentwickelt. Die 56-GBaud-EML-Industriekette ist bereits verfügbar, während sich der 56-GBaud-DML und der VCSEL noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase befinden.

Anforderungen an Chips im Rechenzentrumsnetzwerk

Fazit

Mit Blick auf die Zukunft erwarten wir bei anhaltenden technologischen Innovationen und Fortschritten das Aufkommen weiterer bahnbrechender optischer Verbindungslösungen, die Rechenzentrumsnetzwerken überlegene Leistung und geringere Gesamtbetriebskosten bieten. Die Wahl der richtigen Netzwerklösung für Rechenzentren ist entscheidend. FS liefert zuverlässige Netzwerklösungen für Rechenzentren und erstklassige Transceiver für Rechenzentren.