IBM afslører en ny energibesparende optisk modtager med en ny rekord for hurtig tænd/sluk-tid

Med den stigende popularisering af datacentre og andre båndbreddehungrende sammenkoblingsapplikationer, nutidens vækst i båndbredde af optiske kortdistancenetværk kræver datatransmissionshastigheder på mere end 100 Gb/s, opfordrer til udvikling af energieffektive, multi-kanal optiske links med hurtige dataoverførselshastigheder.

Baseret på komplementær metal-oxid-halvleder-teknologi (COMS) - en standard lavpris, højvolumen chipfremstillingsteknik, der bruges til de fleste processorer og chips i dag - en gruppe forskere fra IBM Research i Zürich, Schweiz, sammen med et konsortium, der arbejder under det EU-finansierede projekt "ADDAPT, " har demonstreret en ny optisk modtager (RX), der kan opnå en samlet båndbredde på 160 Gb/s gennem fire optiske fibre. Dette er ikke kun den hurtigste datatransmissionshastighed til dato, men den nyudviklede optiske modtager har også linket tænd/sluk-funktionalitet og kan vågne op og opnå faselås på otte nanosekunder, den korteste skifttid nogensinde. De vil præsentere deres innovation på OFC 2018, 11-15 marts, San Diego, Californien.

Ifølge forskerne, den hurtige tænd/sluk-funktion vil forbedre linkudnyttelsen og i høj grad reducere energiforbruget på en chip eller i et optisk sammenkoblingssystem. I modsætning til mange kommercielle optiske transceivere, der altid er tændt uanset transmissionsaktivitet, strømmen her ville kun blive brugt, når datapakker transmitteres gennem det optiske link. Det nye design, pakket med et 850 nanometer fotodiodearray, retter sig mod billige VCSEL-baserede optiske links til datacenterforbindelser.

"Dette er den første optiske modtager, der kombinerer højhastigheds datatransmissionshastighed og hurtig tænd- og slukfunktionalitet, mens den er ekstremt lav, lavere i 'power-on'-tilstand (ca. 88 miliwatt), " sagde Alessandro Cevrero, den primære forfatter til papiret og en videnskabsmand fra IBM Research Lab, Schweiz. I dag, linkudnyttelsen i datacentre er mindre end ti procent for 99 procent af linkene. Det betyder, at kun ti procent af linkenes arbejdstid faktisk bruges til at overføre brugerdata, mens resten af ​​tiden spildes ved at sende inaktive datapakker med manglende information. For at forbedre strømeffektiviteten i optisk sammenkoblingssystem, forskerne udviklede den hurtige tænd/sluk-funktion til modtageren, så links kan slukkes i inaktiv tid og tændes igen, når dataene er klar til at blive transmitteret.

"Vores design, for første gang, gør det muligt at tænde/slukke af og optisk link på pakkebasis, " sagde Cevrero. Tændingstiden er kun otte nanosekunder, hvilket er kortere end den gennemsnitlige tid for en individuel datapakke i en typisk netværksprotokol, der transmitteres med en hastighed på 160 Gb/s. "Der var tidligere videnskabelige forsøg på at slå linkene fra, når der ikke er nogen data, dog var tidsskalaen for at tænde og slukke for linket størrelsesordener længere end for en individuel datapakke. For at opnå kortere tænding, tid ved en meget høj dataoverførselshastighed er den vigtigste udfordring."

For at løse dette, Cevreros team designede en optisk modtager med fire identiske kanaler forbundet med en foreslået linkprotokol. Link-protokollen er udstyret med selvudviklede smarte analoge kredsløb, der hurtigt kan justere modtagerens ur med ankomsten af ​​de indkommende data, og detekterer de optiske signalsekvenser for hurtigt at tænde og slukke for linksystemet.

Forskerne testede derefter modtageren ved 40 Gb/s sekund med en referencesender bestående af en 850 nanometer Mach-Zehnder-modulator efterfulgt af en variabel optisk dæmper. De udførte også power on/off eksperimenter ved at generere et optisk signal, der implementerede den foreslåede linkprotokol. Som resultat, de observerede korrekt strømcyklus over en 109 strømcyklus, og at modtageren fungerer fejlfrit ved 40 Gb/s sekund, hvilket giver 160 Gb/s aggregeret båndbredde over multi-mode fibre. De eksperimentelle data viste også, at ti procent linkudnyttelse svarer til 85 procent strømbesparelse på modtageren.

Cevrero bemærkede, at forbedring af strømeffektiviteten af ​​optiske links gør det muligt for forskere at bygge betydeligt hurtigere, højere ydeevne computersystemer, da man kan "proppe" højere båndbredde i pakkens samme termiske budget. Besparelser på energiforbrug hjælper også med at reducere kuldioxidemissionen fra det optiske netværk, fører til grønnere optiske kommunikationssystemer.

Forskernes næste skridt, Cevrero sagde, er at validere et komplet optisk sammenkoblingssystem ved at måle den optiske sender, samt at øge datatransmissionshastigheden på modtagersiden til 56 Gb/s pr. kanal.