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Die Bedeutung von Silicon Photonics für das Data Center der Zukunft

Silicon Photonics gilt als Schlüsseltechnologie für das Data Center der Zukunft. Vor allem disaggregierte Server werden davon profitieren.

Das Schlagwort von Silicon Photonics geistert schon durch die Rechenzentrumsindustrie, seit Intel zum Jahrtausendwechsel eine entsprechende Initiative vorgestellt hatte. Das Ziel war die Entwicklung einer integrierten optischen und elektronischen Datenübertragung auf dem gleichen Silizium-Chip, was die Datenkommunikation mit hohen Bandbreiten über große Distanzen ermöglichen sollte, wie sie Kupfer-Konduktoren einfach nicht erreichen können.

Nach all den Jahren Entwicklungszeit lohnt sich ein Blick auf die grundlegenden Konzepte hinter Silicon Photonics und auf die wichtigsten Vorteile und Herausforderungen, die durch diese Technologie auf Rechenzentrumsbetreiber zukommen könnten.

Silicon Photonics und die Auswirkungen auf das Data Center

Silicon, also Silizium, ist die Basis eines jeden Prozessors, eines jeden Chips, ASICs und jeder Memory-Komponente. Auf der anderen Seite sind photonische, also optische Vorgänge, bei denen Photonen des Lichts statt Elektronen über große Distanzen hinweg transportiert werden, die Grundlage moderner Netzwerke. Sie stellen Verbindungen mit hohen Datendurchsätzen beispielsweise zwischen Gebäuden sichern.

Silicon Photonics nutzt Chip-Herstellungstechniken im Bereich sich ergänzender Metall-Oxid-Halbleiter, um Transistoren und optische Komponenten auf dem gleichen Silizium-Schaltkreis zu vereinen, statt für die elektronische und photonische Datenübertragung unterschiedliche Komponenten zu verwenden. Silicon Photonics vereint damit die mikroskopischen Komponenten, um die direkte Datenübertragung zwischen elektrischen und optischen Signalen zu ermöglichen. Die Datenübertragung zwischen Silicon-Photonics-Chips wird über Glasfaserkabel sichergestellt.

Wie wirkt sich Silicon Photonics nun also auf Rechenzentren aus? Die ersten Komponenten aus diesem Bereich wirken tatsächlich eher wie konventionelle optische Netzwerkadapter, die Distanzen von ein bis zwei Kilometer über Glasfaserkabel überbrücken. Damit können schnelle Netzwerkverbindungen über Gebäude hinweg bedient werden, oder aber auch Verbindungen zwischen einzelnen Servern im Rechenzentrum. Mit der Zeit dürfte Silicon Photonics für zusätzliche optische Applikationen sorgen, was einerseits die Datenübertragung zwischen Servern beschleunigen, andererseits aber auch alternative Compute-Modelle zur Folge haben dürfte, beispielsweise disaggregierte Server.

Aktuell bereits erhältliche Produkte rund um Silicon Photonics

Intel vermarktet derzeit zwei Silicon-Photonics-Produkte, nämlich die optischen Transceiver 100G PSM4 QSFP28 und 100G CWDM4 QSFP28. Beide Produkte unterstützen Ethernet-Switch-, Router- und Telekommunikationsverbindungen für große Enterprise-Umgebungen und Cloud-Scale-Rechenzentren mit bis zu 100 Gigabit Ethernet über Single-Mode Glasfaserkabel.

Beide Transceiver teilen sich auch bestimmte Funktionen wie die maximal 3.5 Watt ungekühlter Verlustleistung und eine Schnittstelle, die den IEEE 802.3bm CAUI-4-Standard mit vier 25-Gbps-Datenleitungen unterstützt. Zusätzlich sind beide in kompakter QSFP-Bauweise (Quad Small form-factor Pluggable) gefertigt, was den Einsatz vieler Module auch auf kleiner Fläche ermöglicht.

Diese frühen Produkte repräsentieren dabei lediglich einen kleinen Teil des gesamten Potenzials, das Silicon Photonics zukünftig mit sich bringt. Mit fortschreitender Entwicklung der Technologie dürften die unterstützten Distanzen noch kleiner werden, was die Verbindung zwischen einzelnen Komponenten kürzer und damit noch schneller macht.

Die Rolle von Silicon Photonics bei disaggregierten Servern

Um die Bedeutung von Silicon Photonics in seiner Gänze verstehen zu können, muss zunächst die Disaggregation von Servern verstanden werden. Server sind traditionell monolithische Blöcke, die – quasi aggregiert – alle Einzelkomponenten im Server-Schrank vereinen. Wenn die dort verbauten Komponenten irgendwann nicht mehr ausreichen, müssen meist einfach neue Server gekauft werden, auch wenn nicht zwingend alle damit neu gekauften Ressourcen benötigt werden. Wenn also eine Anwendung beispielsweise mehr CPU-Kerne benötigt, könnte man einfach einen neuen Server kaufen und bereitstellen. Primär- und Arbeitsspeicher wären dann aber ungenutzt.

Das Konzept hinter disaggregierten Servern bricht Server in unabhängige, funktionale Subsysteme auf. Auf diese Weise werden aus Prozessor, Arbeitsspeicher oder Storage funktionale Module, die je nach Bedarf innerhalb eines Server-Racks zu Ressourcen-Pools zusammengefügt werden können. Damit bestünde ein Rechenzentrum nicht mehr aus einzelnen Servern, sondern aus Racks voll mit disaggregierten Ressourcen.

Zukünftig könnte Silicon Photonics eine Schlüsseltechnologie bei der Verbindung zwischen disaggregierten Ressourcen werden, weil sie schnelle, zuverlässige und kostengünstige optisch-elektronische Verbindungen ermöglicht, die einzelne Ressourcen-Module verbindet.

Zukünftige Produkte im Silicon-Photonics-Bereich

Tatsächlich einsatzfähige Produkte befinden sich im Silicon-Photonics-Bereich noch immer in den Kinderschuhen, daher ist die Entwicklung hier schwer vorherzusagen. Trotzdem gibt es ein paar generelle Richtungen, auf die sich System-Administratoren einstellen sollten.

Anfangs werden Produkte wie die optischen Transceiver Intel Silicon Photonics 100G PSM4 und CWDM4 QSFP28 einfachere, stromsparende und trotzdem sehr schnelle Netzwerkalternativen für große Enterprise-Umgebungen bereitstellen. Das könnte zum Beispiel die Verbreitung schneller Breitbandverbindungen innerhalb von Rechenzentren oder über MAN-Netzwerk (Metropolitan Area Network) erhöhen.

Langfristig wird Silicon Photonics auch sogar noch schnellere Netzwerkgeschwindigkeiten unterstützen, was den Übergang von 100 zu 400 Gbps unterstützen würde, der seit einiger Zeit auf der Roadmap der zukünftigen Netzwerkentwicklung steht.

Die wirklich bahnbrechende Neuerung dürfte aber vor allem die Chip-to-Chip-Kommunikation bringen, bei der Daten tatsächlich zwischen einzelnen Chips und nicht mehr zwischen Geräten oder Gebäuden ausgetauscht werden. So gibt es beispielsweise bereits nicht-flüchtige Memory-Chips, die pro Zelle nicht einfach nur einzelne Bits, sondern mehrere Bits speichern. Der Einsatz von Silicon Photonics für diese Art Speicher birgt das Potenzial enorm beschleunigter Memory-Geschwindigkeiten und einer wesentlich höheren Speicherdichte. Damit könnte Silicon Photonics eine Schlüsselrolle bei den nächsten großen Technologiesprüngen im Data Center zukommen.

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Artikel wurde zuletzt im Dezember 2016 aktualisiert

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