Infrarøde links kunne forenkle datacenterkommunikation

Datacentre er det centrale punkt for mange, hvis ikke de fleste, informationssystemer i dag, men masserne af ledninger, der forbinder serverne og stablet højt på stativer, begynder at ligne sidste års sammenfiltrede juletræslyskatastrofe. Nu foreslår et team af ingeniører at fjerne de fleste ledninger og erstatte infrarød frirumsoptik med kommunikation.

"Vi og andre prøvede radiofrekvenssignalering, men bjælkerne bliver brede over korte afstande, " sagde Mohsen Kavehrad, W. L. Weiss professor i elektroteknik, Penn State. "Bygningerne kunne være en kilometer lange, og hvert stativ burde være i stand til at kommunikere."

I et eksperiment udført af Microsofts ingeniører, forskere fandt ud af, at radiofrekvenssignalering resulterede i høj interferens, begrænsede aktive links og begrænset gennemstrømning - mængden af ​​data, der kan gå gennem et system.

"Vi bruger et optisk link til ledig plads, " Kavehrad fortalte deltagerne i dag (31. januar) ved Photonics West 2017 i San Francisco. "Den bruger en meget billig linse, vi får en meget smal infrarød stråle uden interferens og ingen grænse for antallet af forbindelser med høj gennemstrømning."

Free-space optiske Inter-Rack-netværk med høj FLEXIBILITET-eller Firefly-arkitektur er et fælles projekt af Penn State, Stony Brook University og Carnegie Mellon University. Det ville bruge infrarøde lasere og modtagere monteret oven på datacenterstativer til at transmittere information. Lasermodulerne kan hurtigt rekonfigureres for at opnå et mål på ethvert rack. Menneskelig indblanding er minimal, fordi stativerne er mere end 6,5 fod høje, så de fleste arbejdere kan gå mellem rækkerne af stativer uden at bryde laserstrålerne.

Ifølge Kavehrad, datacentre kan rumme 400, 000 servere på stativer, der fylder et kilometer langt lokale. Datacentre bygger typisk til spidsbelastning, hvilket betyder, at det meste af tiden er omkring 30 procent af serverne offline. Imidlertid, fordi de stadig er på, de fortsætter med at skabe varme og har brug for afkøling. Kavehrad anslår, at i 2020 datacentre vil bruge i alt 140 milliarder kilowatt elektricitet i timen, eller hvad der svarer til elektricitet til en værdi af 13 milliarder dollar med dagens hastighed – produktionen af ​​50 kraftværker.

Mens fiberoptiske kabler og energiforbrug til inaktive servere er problemer, gennemløbet er mere kritisk. Når hundredvis af kabler smelter sammen til nogle få, de flaskehalse i dataoverførsel, der opstår, reducerer hastigheden, hvormed datacentret kan levere information. En fleksibel, konfigurerbart system kan reducere flaskehalse og endda antallet af nødvendige servere.

Forskerne har designet Firefly-arkitekturen, men det er endnu ikke implementeret. De har skabt en forenklet, proof-of-concept-system for at vise, at deres infrarøde laser kan bære signalet og målrette mod modtageren. De transmitterer multiplekset bølgelængdedeling - flere signaler sendt af forskellige farvede lys - tovejsdatastrømme, der hver bærer data med en transmissionshastighed på 10 Gigabits pr. sekund fra et testsæt med bitfejlfrekvens (BER). BER-test bestemmer antallet af fejl i et signal forårsaget af interferens, støj, forvrængning eller synkroniseringsproblemer.

proof of concept-opsætningen har den tovejs signalbølgelængdedeling multiplekset med et envejs kabel-tv-signal. Den samlede datastrøm går fra fiberoptisk kabel til den infrarøde laser, på tværs af lokalet til modtageren og viser resultaterne på et TV og BER-testsættet. En hånd, der bryder laserstrålen, slukker systemet, men når hånden fjernes, signalet genfindes hurtigt.

Systemet bruger MEM'er — mikroelektromekaniske systemer — med bittesmå spejle til hurtig målretning og omkonfigurering, sagde Kavehrad. Disse MEM'er bruger små mængder elektricitet fra fire retninger til at flytte spejlet, der er målrettet mod modtageren. Bevægelsen af ​​spejlene er så lille, at den ikke kan spores, men computerprogrammet lokaliserer hurtigt modtageren og indsnævrer derefter målet for at fastslå nøjagtigheden. Laserstrålen kan også flyttes hurtigt for at målrette mod en anden modtager.

Nøjagtig målretning og afsendelse af et signal via infrarød laser er kun to af de forhindringer, forskerne skal overstå, før Firefly er operationelt. Når først signalet ankommer til målet, skal det problemfrit komme ind i det fiberoptiske kabel. Det er også vigtigt at kontrollere og administrere datadistributionssystemet i et ikke-kablet miljø.

"Vi forsøger at finde på noget, der kan rekonfigureres ved hjælp af lys i stedet for millimeterbølger (radiofrekvens), " sagde Kavehrad. "Vi er nødt til at undgå overprovisionering og levere tilstrækkelig kapacitet til at udføre sammenkoblingen med minimale switches. Vi vil gerne helt af med fiberoptikken.«