CC BY
10ВКВ0-2023- ВОЛС
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ НИЗКОЭНЕРГОЗАТРАТНЫХ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ МЕЖСОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ГИПЕРМАСШТАБНЫХ ЦЕНТРОВ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ С ТЕРАБИТНОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ
Белкин М.Е. 1*, Коган С.С. 2, Семенов С.Л. 3
1МИРЭА - Российский технологический университет, г. Москва 2 Общество с ограниченной ответственностью «Т8», г. Москва
3 Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва * E-mail: belkin@mirea.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-68-69
По определению Центр обработки данных (ЦОД) — это специализированный объект, представляющий собой связанную систему информационно-технологической (ИТ) и инженерной инфраструктур, серверное и сетевое оборудование которых размещены в здании или помещении, подключенном к внешним сетям, как инженерным, так и телекоммуникационным. В общем, он выполняет функции обработки, хранения и распространения информации и ориентирован на решение бизнес-задач путём предоставления информационных услуг [1]. Широкое развитие ЦОД началось в конце прошлого столетия и преимущественно связано с коммерциализацией интернета, когда массово потребовалось быстрое подключение к интернет-сетям для обеспечения широкого присутствия в глобальной сети. При этом, в связи с резким увеличением числа пользователей интернета возросла потребность в повышении объема и качества связи и, как следствие спроса на укрупнение ЦОД. Рост потребности в компьютерных мощностях и увеличение затрат на электроэнергию уже тогда заставили владельцев ЦОД работать над оптимизацией систем электроснабжения.
Появление в 21-м веке ИТ-гигантов, развивающих собственные ИТ-инфраструктуры, привело к образованию, так называемых, гипермасштабных ЦОД с мощностью энергопотребления более 100 МВт, назначением которых является предоставление вычислительных мощностей для ведущих глобальных игроков, например, облачных провайдеров и социальных сетей. Данный класс ЦОД должен иметь развитую сеть филиалов, соединенных между собой сверхвысокоскоростными интерфейсными межсоединительными линиями (МСЛ-ЦОД), и возможность масштабироваться в широких пределах. В последние годы в мире произошло значительное развитие сетевой архитектуры гипермасштабного ЦОД, которая в настоящее время содержит до пяти внутренних и внешних уровней, связанных при помощи МСЛ, построенных на базе двух оконечных оптических трансиверов и соединяющего их волоконно-оптического кабеля (ВОК) протяженностью от нескольких метров до нескольких километров при стандартизованной пропускной способности оптических трансиверов от 25 до 400 Гбит/с. Однако современное развитие ЦОД диктует по крайней мере на порядок ее увеличение при сохранении или минимальном увеличении мощности энергопотребления для чего необходимо изменение технологий и стандартов интерфейсов [2].
Проведенный нами аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, включающий сверхскоростные телекоммуникационные волоконно-оптические системы, их ключевые оптическую и оптоэлектронную компонентную базу и устройства, а также современное состояние и уровень развития сетей связи ЦОД, показал, что оптимальным решением для создания низкоэнергозатратных МСЛ-ЦОД с терабитной пропускной способностью является совместное использование временного, спектрального и пространственного разделения каналов. Базируясь на полученных результатах, в докладе рассматривается концептуальная структурная схема дуплексной МСЛ-ЦОД, в которой обеспечивается рекордная пропускная способность не менее 4 Тбит/с при удельных энергозатратах не более 0,1 нДж/бит.
Разработанная концептуальная структурная схема МСЛ-ЦОД, принципиально обеспечивающая выполнение вышеуказанных требований, приведена на рис. 1 [3]. Показанная на рисунке сверхскоростная дуплексная МСЛ связывает два крупных ЦОД одного уровня: ЦОД-1 и ЦОД-2. Функционально в состав МСЛ входят два оконечных оптических трансивера и соединяющий их волоконно-оптический кабель. В каждом оптическом трансивере последовательно выполняются операции временного разделения каналов (ВРК) и спектрального разделения каналов (СРК), а в волоконно-оптическом тракте - операция пространственного разделения каналов (ПРК), совместное применение которых принципиально позволяет реализовать МСЛ с общей пропускной способностью в 10 и более раз превышающую достигнутую в настоящее время в сетях гипермасштабных ЦОД.
68 №6 2023 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2023vv» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
ВКВО-2023- ВОЛС
Рис. 1. Концептуальная структурная схема разрабатываемой МСЛ (черные линии - электрические соединения, красные линии - оптические соединения)
Реализация ВРК осуществляется с помощью L-канального блока цифровых модемов, задачей которого является разделение либо объединение цифровых электрических каналов. На практике этот блок может быть исключен в случае, если связь осуществляется не через единый входной/выходной порт каждого ЦОД, а непосредственно с его отдельными аппаратурными стойками. Последующая операция СРК выполняется с помощью М-канального блока оптических трансиверов, содержащего набор одинаковых по структуре оптических передающих и фотоприемных устройств на базе, соответственно, полупроводниковых лазерных излучателей (ПЛИ) и полупроводниковых фотодетекторов. Частоты оптических несущих ПЛИ должны соответствовать стандартной сетке DWDM в С-диапазоне с шагом 100 ГГц. Для объединения и разделения модулированных оптических сигналов используются М-канальные блоки спектральных мультиплексоров и демультиплексоров. Оптические трансиверы каждого ЦОД соединены посредством 2-волоконного оптического кабеля, содержащего N - сердцевинные оптические волокна (МСОВ 1 и МСОВ 2), оконцованные N-контактными оптическими коннекторами (ОМСК-1 и ОМСК-2).
В разработанной схеме низкие удельные энергозатраты обеспечиваются за счет:
- относительно низкого уровня ВРК (согласно предварительным расчетам не более 40 Гбит/с);
- использования для СРК (согласно предварительным расчетам 8 каналов) лазеров с поверхностным излучением (VCSEL), потребляемая мощность которых на порядок ниже по сравнению со стандартно применяемым лазером с торцевым излучением [4];
- использования пассивного ПРК на базе многосердцевинного одномодового оптического волокна [5] (согласно предварительным расчетам 13 сердцевин).
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Государственного задания № 07501561-22-08.
Литература
1. Cisco Global Cloud Index: Forecast and Methodology, 2016-2021 // Cisco White Paper, (2018)
2. Savvas A., et al. "Optical Connections" J., issue 32, p. 10-12 (2023)
3. М.Е. Белкин и др. Отчет по проекту ««Исследование и разработка оптимальных принципов построения нового поколения сверхскоростных низкоэнергозатратных волоконно-оптических межсоединительных линий современных центров обработки данных», 2022, 200 стр.
4. М.Е.Белкин, К.О.Воропаев. Сборник трудов IIМеждународной научно-технической конференции «ОПТО-, МИКРО- И СВЧ-ЭЛЕКТРОНИКА - 2022», Минск, сентябрь 2022 г.
5. Егорова О.Н., Семенов С.Л., Дианов Е.М., Павлова Е.Г., Наний О.Е., Трещиков В.Н., Новиков А.Г. Фотон-экспресс. № 6 (110). - С. 98-99 (2013)
№6 2023 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2023»
www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 69
