Auf dem Weg zu 1,6T-Netzwerken
Countdown zum RZ der Zukunft
Rechenzentren spielen eine entscheidende Rolle bei den neuen Techniken von morgen. Industrie 4.0, künstliche Intelligenz (KI), virtuelle Realität (VR), das Metaverse und das Internet der Dinge (IoT) sind stark gefragte Anwendungen, bei denen Rechenzentren leistungsstarke Rechenressourcen bereitstellen müssen.
In den vergangenen 30 Jahren hat sich die moderne Gesellschaft auf RZ-Netze verlassen. Die Ethernet-Geschwindigkeiten haben sich erhöht und übertragen große Datenmengen, die die Welt zur Kommunikation, Datenverarbeitung und für komplexe Entscheidungen benötigt. Trotz der jüngsten Innovationen im Bereich der Hochgeschwindigkeitsnetzwerke müssen die Datengeschwindigkeiten weiter steigen, um mit der exponentiellen Nachfrage Schritt zu halten. Weitere Innovationen im Bereich der Hochgeschwindigkeitsnetzwerke werden Geschwindigkeiten von 800 GBit/s (800 G) und 1,6 TBit/s (1,6 T) ermöglichen und die Tür zu einer stärker vernetzten Welt öffnen.
Wenn die wichtigste Frage in der Technikbranche lautet: „Wie wird KI die Welt verändern?“, sollte die nächste Frage sein: „Wie lassen sich all diese Daten verarbeiten?“ Hyperscale-Rechenzentren sind die Antwort. Ein wichtiger Trend der letzten Jahre im Datenbereich ist die Auslagerung der Datenverarbeitung auf externe Server. Zur Unterstützung von Cloud-Computing-Netzwerken sind weltweit Rechenzentren im Hyperscale-Format entstanden. Kleinere Rechenzentren für Edge Computing sind für zeitkritische Anwendungen ebenfalls immer häufiger anzutreffen. Bei einer Internetanwendung stellen die einzelnen Computer (Clients) eine Verbindung zu einem Modem oder Router her, der Daten an einen Server an einem anderen Ort sendet. Cloud- und Edge-Computing funktionieren ähnlich: Anwender können sich bei einem Server anmelden, auf dem leistungsfähigere Programme laufen, als sie auf ihrer eigenen Hardware ausführen können.
Die heutigen 400 GBit/s-Rechenzentren unterstützen das Streaming von 4K-Videos und große Telefonkonferenzen, aber sie sind für viele Anwendungen noch nicht schnell genug. Da das Datenvolumen immer mehr zunimmt, wird 800 GBit/s möglicherweise nicht einmal schnell genug sein, um es zu verarbeiten. Die Netzwerkbranche strebt bereits 1,6 TBit/s an.
Im Inneren des Rechenzentrums
Um 1,6T-Forschung und -Entwicklung zu verstehen, muss man zunächst Rechenzentren verstehen. Rechenzentren sind um einen zentralen Router herum organisiert, der von einem Netzwerk von Switches gespeist wird, die Verbindungen zwischen den einzelnen Server-Reihen und -Schränken herstellen. Jeder Server-Schrank verfügt über einen TOR-Switch (Top-of-Rack), der Daten weiterleitet und Prozesse an bestimmte Server delegiert. Kupfer- oder Glasfaserkabel verbinden die Backplane jedes Servers mit optischen Modulen, die die elektro-optische Umwandlung vornehmen.
Transceiver der Bitübertragungsschicht folgen den Normen von IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) und des OIF (Optical Internetworking Forum). Beide Industriegruppen definieren die Interoperabilität der einzelnen Schnittstellen, einschließlich der Die-to-Die-Verbindungen, der Chip-to-Module- und Chip-to-Chip-Schnittstellen sowie der Backplane-Kabel. Die derzeit aktuellen Normen sind IEEE 802.3ck, die 100G-, 200G- und 400G-Netzwerke mit mehreren 100-GBit/ s-Lanes definieren, und OIF CEI-112G, eine Sammlung von Normen für die Übertragung von Daten mit 112 GBit/s pro Lane.
Im Jahr 1983, als der erste IEEE-802.3-Standard herauskam, betrug die Ethernet-Geschwindigkeit 10 MBit/s. In den vergangenen Jahrzehnten sind die Ethernet-Geschwindigkeiten durch kontinuierliche Innovation drastisch gestiegen und haben 400 GBit/s erreicht, die sich durch vier 56 -GBaud-PAM4-Lanes erreichen lassen.
Integratoren von Rechenzentren könnten mehr parallele Lanes verwenden, um die Gesamtdatenrate eines Netzwerks zu erhöhen. Die erste Generation von 800 G wird wahrscheinlich aus acht 100-GBit/s-Lanes bestehen. Es ist jedoch effizienter, die Datenrate pro Lane zu erhöhen. Die Entwickler können entweder die Baudrate oder die Bits pro Symbol erhöhen. Durch die Erhöhung der Baudrate lassen sich die Symbole schneller durch den Kanal übertragen, was zu einer stärkeren Signalverschlechterung führen kann. Eine Erhöhung des Puls-Amplituden-Modulationsschemas (PAM) sendet mehr Bits pro Symbol, aber die Fehlertoleranz ist geringer und die Schwellenwerte sind enger. IEEE und OIF werden bei der Definition der 800 G- und 1,6T-Normen die Nachteile der einzelnen Implementierungsmethoden berücksichtigen. Die Gruppen haben sich vorgenommen, beides über 224-GBit/s-Lanes zu definieren. Im Folgenden sind einige Herausforderungen und mögliche Lösungen für das Erreichen von 224-GBit/s-Lane-Datenraten beschrieben.
Switch-Halbleiter
Schnellere Netzwerk-Switch-Chips sind für die Erhöhung der Lane-Geschwindigkeiten unerlässlich. Anwendungsspezifische integrierte Hochgeschwindigkeitsschaltungen (ASICs) ermöglichen eine Umschaltung mit geringer Latenz zwischen Elementen in einem Server-Rack und dem Rechenzentrum. Von 2010 bis 2022 stieg die Bandbreite von Switch-Halbleitern von 640 GBit/s auf 51,2 TBit/s, nachdem man die CMOS-Prozesstechnik (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) mehrfach verbessert hat.
Die SerDes-Geschwindigkeit (Serializer/Deserializer) und die Anzahl der SerDes definieren die Bandbreite eines Chips. Ein Chip mit einer Bandbreite von 51,2 TBit/s verfügt beispielsweise über 512 SerDes mit 100 GBit/s, was ausreicht, um 128 Ports mit einer Kapazität von 400G-Ethernet zu unterstützen, wobei jeder Port aus vier Lanes mit 100 GBit/s besteht. Die nächste Generation von Switch-Halbleitern wird die Bandbreite noch einmal verdoppeln, da die 102,4T-Switches 512 Lanes mit 200-GBit/s-SerDes haben werden. Diese Silizium-Switches werden 800G und 1,6T über 224-GBit/s-Lanes unterstützen.
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