Выбираем перспективную технологию передачи данных: полое волокно, лазеры, воздушный волновод
Оптика — краеугольный камень сетевых систем, телевидения, телекоммуникаций и, конечно, ЦОДов. Оптические разработки служат инструментом коммуникации как между серверами, так и отдельными вычислительными компонентами. По некоторым оценкам, по крайней мере три четверти трафика остается и «циркулирует» внутри дата-центров.
Объемы данных в мире постоянно увеличиваются — по оценкам исследовательской компании TechJury, человечество генерирует приблизительно 1,15 трлн мегабайт ежедневно. Вместе с объемами данных растет и потребность в развитии высокоскоростных технологий передачи данных.
Сегодня мы обсудим, какие технологии обеспечат критически важную связь между многочисленными вычислительными ресурсами. Даже незначительные улучшения в производительности или использовании ресурсов могут оказать значительное влияние на работу серверов.
Сеть дата-центров МТС состоит из географически распределенных ЦОДов на территории СНГ. Все они соединены собственной магистральной сетью протяженностью 248 тыс. км, а еще мы постоянно строим новые волоконно-оптические линии связи.
В наших планах расширить инфраструктурную базу до более 100 объектов и объединить самой большой в стране сетью дата-центров свыше 20 российских городов — практически все федеральные округа. Некоторые из площадок открыты для размещения клиентского оборудования (колокейшн) на территории ЦОДа. Заказчик ставит оборудование в стойку, которую предоставляет ЦОД, или размещает на площадке свою стойку. Хостинг-провайдер предоставляет все ресурсы: отводит тепло, подключает энергоснабжение, связь. В зависимости от заказа, подключаем стойки на скорости 10—40 Гбит/сек.
В таком контексте необходимо развивать технологии, способные ускорить обмен данными как внутри машинного зала, так и между географически разделенными площадками. Помимо этого — извлекать выгоду из энергоэффективных и производительных способов обмена данными.
Полое оптоволокно
Инженеры по всему миру развивают кабельные технологии и изобретают новые подходы к передаче данных в дата-центрах. Одной из перспективных разработок является полое оптоволокно (HCF-кабель). Оптические волокна в таком кабеле имеют пустую сердцевину, окруженную кольцом стеклянных трубок. В воздушной среде свет распространяется лучше, чем в стекле или пластике, поэтому сигнал проходит на 50% быстрее по сравнению со сплошным кварцевым сердечником обычного оптического волокна. В ходе испытаний, проведенных компанией Comcast, одна нить HCF обеспечила скорость трафика от 10 Гбит/с до 400 Гбит/с.
Технология полого оптоволокна существует с 1990-х. Но за прошедшее время так и не получила широкого распространения. До недавних пор сигнал в таком кабеле быстро затухал. Интерес к концепции разгорелся с новой силой, когда инженерам британского стартапа удалось устранить этот недостаток.
Они разработали технологию NANF — Nested Anti-resonant Nodeless Fiber — расположив несколько вложенных полых трубок по периметру кабеля. Такой подход позволил сократить нелинейные эффекты и установить затухание сигнала на уровне 2 дБ/км. Это сопоставимо с классическими оптоволоконными кабелями. В перспективе операторы дата-центров и телекомы смогут передавать значительно большие объемы информации.
Инфракрасные лазеры
В то время как одни специалисты расширяют возможности оптоволоконных подключений, другие — предлагают вообще отказаться от кабелей. Есть мнение, что обмен данными в дата-центрах будущего будет построен на инфракрасных лазерах и датчиках, установленных в верхней части серверных стоек. Перенаправлять лучи будет специальная система зеркал.
Такого видения придерживаются инженеры из Университета штата Пенсильвания. Еще несколько лет назад они построили прототип инфракрасной системы. Массив лазеров генерировали лучи с длиной волны в 1550 нанометров. Мультиплексор «уплотнял» сигналы в один оптический канал для их трансляции на разных несущих частотах.
В 2017 году ученые добились скорости передачи данных в 10 Гбит/с и проложили дорогу другим исследователям. В прошлом году инженерам из Швеции удалось переслать 1,8 Пбит за одну секунду.
Гипотетически такие линки способны закрыть потребности дата-центров в обмене информацией. Тем не менее, есть и нерешенные проблемы. Серверные стойки вибрируют при обработке и передаче данных, что может повлиять на точность лазеров.
Передавать данные по воздуху предлагают и коллеги из Мэрилендского университета, которые разработали так называемое «воздушное оптоволокно». Передача света непосредственно через воздух невозможна, поскольку дифракционные эффекты приводят к рассеиванию луча. Решая эту проблему, исследователи разогрели воздух с помощью коротких лазерных импульсов кольцевой формы. Получилась область в виде трубки с холодной сердцевиной — своеобразный канал передачи данных без физического кабеля.
Импульсы сначала формируют тонкие нити (красные), которые нагревают воздух и в итоге образуют оболочку низкой плотности (оранжевая). Через этот волновод исследователи смогли передать второй лазерный импульс (зеленый).
Инженеры работали над технологией несколько лет — первые результаты были опубликованы еще в 2014 году. Но в начале этого года им впервые удалось отправить данные по «воздушному оптоволокну» на расстояние в 50 метров. Авторы предполагают, что в будущем воздушные волноводы смогут передавать мощный свет на расстояния в километр и более.
Кремниевая фотоника
Быстрая передача данных — это хорошо, однако необходимо сделать так, чтобы они с аналогичной скоростью поступали на обработку процессору. В этом плане классические кремниевые технологии становятся узким местом в вычислительных и сетевых системах. Решением проблемы должна стать кремниевая фотоника.
Если говорить о последних разработках, то сразу две американских компании разрабатывают чиплеты с оптоволоконными каналами (fiber-connected chiplets). Их задача — обеспечить высокоскоростное соединение между ресурсоемкими микросхемами, такими как CPU. Однако устройства компаний имеют разные принципы работы. Одно использует инфракрасные лазеры для кодирования и обмена данными. Второе — опирается на массивы высокоскоростных GaN-микроэмиттеров. Пропускная способность таких каналов достигает 2 Тбит/с.
Аналитики SkyQuest Technology Group ожидают, что рынок кремниевой фотоники составит $4,9 млрд уже к 2028 году. Однако, прежде чем новые технологии получат распространение в дата-центрах и станут «мейнстримом», необходимо преодолеть ряд препятствий.
Когда ждать прорыв
Существует проблема совместимости высокоскоростных оптических технологий с классическими решениями. Большинство перспективных оптических разработок находится на этапе лабораторных испытаний, в крайнем случае — раннего прототипа. Но даже если предположить, что они уже вышли на рынок, массовое внедрение в краткосрочной перспективе по-прежнему невозможно.
Замена или обновление оборудования даже в объеме пары ЦОДов — затратное предприятие как по финансам, так и по времени. Необходимо определиться с объемами поставок, протестировать аппаратуру на совместимость, закупить и правильно её настроить. В целом можно не сомневаться, что будущее дата-центров подразумевает и активное использование оптических технологий, но пройдет еще какое-то время, прежде чем они станут широкодоступными.
О чем еще мы пишем в блоге на Хабре:
