Weiterentwicklung der Verbindungstechnologie für optische Hochgeschwindigkeitsmodule im Rechenzentrum

Aufgrund des boomenden Wachstums von Netzwerkdiensten wird der Bedarf an Bandbreite in Rechenzentren immer höher. Ursprünglich konnte der Bedarf durch die Bündelung mehrerer Links gedeckt werden, doch heutzutage erfordern Cloud Computing, Online-Gaming und Online-HD-Video eine große Netzwerkbandbreite, die nicht durch einfaches Hinzufügen weiterer Links gedeckt werden kann. Beispielsweise werden die grundlegenden 10G-Interconnect-Ports im Uplink eines herkömmlichen Rechenzentrums auf 8 gebündelt, was einer Bandbreite von 80G entspricht. Wenn die Kosten für das Hinzufügen weiterer Verbindungen zu hoch sind, können viele Netzwerkgeräte keine weiteren Portbündel unterstützen, sodass sie nur Portgeräte mit höheren Weiterleitungsraten anfordern können, und 40G/100G entsteht im Kontext einer so großen Nachfrage. Mittlerweile wurde 40G/100G so skaliert, dass es in gewöhnliche Rechenzentren integriert werden kann, und ist zu einer unverzichtbaren Option für große Rechenzentren geworden. Dabei werden mehrere 40G- oder 100G-Verbindungsports an den Verbindungsausgängen des Rechenzentrums bereitgestellt, wodurch die externe Zugriffsbandbreite des Rechenzentrums auf über 100G erhöht wird oder sogar bis zu 1T. Glücklicherweise wurde die technische Schwierigkeit der optischen 100G-Module für die Menschen überwunden, aber es gibt immer noch viele Probleme mit diesem Teil der Technologie, der sich immer noch in der kontinuierlichen Entwicklung befindet, also lassen Sie uns über den technischen Fortschritt in diesem Bereich sprechen.

Optische Hochgeschwindigkeitsmodule beziehen sich im Allgemeinen auf optische Module mit 40G/100G-Übertragung oder höher, die technisch schwierig zu erreichen sind, insbesondere im Hinblick auf die Übertragungsentfernung, und es ist für optische 100G-Module schwierig, eine Übertragungsentfernung von mehr als 10 km zu erreichen. Dies hat die Beliebtheit optischer 100G-Module in Rechenzentrumsanwendungen gebremst. Dieser Entwicklungstrend ist jedoch unumkehrbar, genau wie unsere Computer und Mobiltelefone, die immer schneller laufen. Solange sich die Technologie verbessert, wird die Geschwindigkeit weiter zunehmen. Auch die Technologie der optischen Hochgeschwindigkeitsmodule entwickelt sich ständig weiter. Am ausgereiftesten sind derzeit die SPS-Technologie sowie die InP-basierte Integrationstechnologie und die auf Siliziumphotonik basierende Integrationstechnologie.

PLC (Planar Lightwave Circuit) wird als optische Wellenleitertechnologie der Plattform bezeichnet. Sie bezieht sich darauf, dass sich der optische Wellenleiter in einer Ebene befindet. Sein Produktionsprozess ist mit dem herkömmlichen Halbleiterproduktionsprozess kompatibel und kostengünstiger als der herkömmliche optische Montageprozess. Die Verpackungstechnologie ist gut. PLC hat zwei Grundstrukturen: Eine ist ein rechteckiger optischer Wellenleiter, die optische Kernschicht ist säulenförmig; Einer ist ein gratförmiger optischer Wellenleiter, die optische Kernschicht ist ein Rechteck auf einem Grat. Die SPS-Technologie ist der Kern des integrierten optischen Prozesses. Entsprechend den funktionalen Anforderungen werden verschiedene flache optische Wellenleiter verwendet. Einige müssen auch Elektroden an bestimmten Stellen ablegen und dann optische Wellenleiter mit optischen Fasern oder Faserarrays koppeln Hochintegrierte Vorbereitungstechnologie, die Anzahl der Abgriffe beträgt bis zu 128. Der Einsatz von Photolithographie-, Wachstums- und Trockenätzprozessen zur Bildung vergrabener optischer Wellenleiter auf einem Quarzsubstrat zur optischen Leistungsverteilung ist die beste Technologie für die Herstellung optischer Splitter. PLC kann unter Verwendung verschiedener Medien erreicht werden, wie z. B. mit Lithiumniobat und Titan beschichtete optische Wellenleiter, auf Silizium basierende abgeschiedene optische Siliziumdioxid-Wellenleiter, optische InGaAs/InP-Wellenleiter und optische Polymer-Wellenleiter usw. Diese unterschiedlichen Unterschiede bestehen in den Kosten und der Übertragungseffizienz Diese verschiedenen Materialien und die Vor- und Nachteile jedes einzelnen werden hier nicht näher erläutert. Kurz gesagt, die SPS-Technologie ist keine völlig neue Technologie, übernimmt jedoch mithilfe fortschrittlicher Produktionsprozesse viele Elemente der ursprünglichen optischen Technologie, um den Zweck der Verbesserung der Übertragungsbandbreite einzelner optischer Module zu erreichen.

Wenn die Geschwindigkeit des optischen Moduls von 10 G auf 40 G oder 100 G erhöht wird, kann sie immer noch durch die Verwendung der SPS-Technologie erfüllt werden. Wenn sie jedoch auf 400 G oder sogar 1 T erhöht werden muss, ist diese Technologie etwas überfordert. Aktuelle technologische Prozesse verfügen noch nicht über die Mittel, um solche Bandbreitendichten zu erreichen, und wenn dies durch die Vergrößerung optischer Module erreicht wird, ist das eindeutig keine gute Lösung, und die SPS nimmt mit der Komplexität des Herstellungsprozesses erheblich zu, was auch die Komplexität erhöht Da die Preise für optische SPS-Module nach wie vor hoch sind und nicht gesenkt werden können, entstand die Silizium-Photonik-Technologie. Hierbei handelt es sich um eine kostengünstige optische Hochgeschwindigkeitskommunikationstechnologie auf Basis der Siliziumphotonik, bei der anstelle elektronischer Signale Laserstrahlen zur Datenübertragung verwendet werden. Diese kostengünstige Technologie reduziert nicht nur die Kosten für die Erweiterung des Rechenzentrums drastisch, sondern durchbricht auch die Lebensdauer des Mooreschen Gesetzes in Bezug auf die Rate (wenn das Mooresche Gesetz befolgt wird, ist es für Ethernet-Übertragungsraten unmöglich, 1T zu erreichen), was einen Bruch ermöglicht bis zu 1 T Bandbreite an einem einzigen Port, einer neuen Rechenzentrumstechnologie, die seit 2016 große Aufmerksamkeit erregt hat. Allerdings gibt es immer noch technische Herausforderungen bei der Kopplung von Siliziumphotonik mit optischen Fasern und es gibt Herausforderungen bei der Ausrichtung von 10-Mikrometer-Kernen Fasern mit Wellenleitern von nur 0.35 bis 0.5 Mikrometer Größe für die Inspektion auf Waferebene. Glücklicherweise gibt es immer noch einige Hersteller, die diese technischen Schwierigkeiten überwunden haben und einige photonische optische Siliziummodule für den offiziellen Verkauf hergestellt haben, die das Problem der kurzen Übertragungsentfernung von optischen 100G-Hochgeschwindigkeitsmodulen überwinden. Obwohl diese optischen Module noch nicht in der Lage sind, 200G- und höhere Raten bereitzustellen, geht man davon aus, dass dies mit der kontinuierlichen Verbesserung der Technologie in Zukunft sicherlich möglich sein wird. Die Tatsache, dass die Ethernet-Standardisierungsorganisation nun damit begonnen hat, einen 400G-Übertragungsstandard zu entwickeln, zeigt, dass dies theoretisch möglich ist, sonst wäre die Entwicklung eines solchen Übertragungsstandards nicht möglich.

Photonische Integration ist auch eine Technologie, die für zukünftige optische Hochgeschwindigkeitsmodule ausgewählt werden könnte. Eine auf einem optischen Wellenleiter basierende integrierte Schaltung mit einem dielektrischen Wellenleiter als Herzstück integriert optische Bauelemente, d Optisches Hochgeschwindigkeits-Weiterleitungsmodul. Die photonische Integration ist der modernste und vielversprechendste Bereich der Glasfaserkommunikation und eine der besten Möglichkeiten, den Bandbreitenanforderungen zukünftiger Netzwerke gerecht zu werden. Natürlich ist die Herstellung photonisch integrierter optischer Module keine leichte Aufgabe. Photonische Geräte haben eine dreidimensionale Struktur und erfordern zur Herstellung wiederholtes Abscheiden und Ätzen auf mehreren dielektrischen Dünnfilmschichten aus unterschiedlichen Materialien. Diese Art komplexer Technologie wird voraussichtlich erst bei 400 G zum Einsatz kommen.

Die Technologie für optische Hochgeschwindigkeitsmodule in Rechenzentren entwickelt sich immer noch weiter, und sobald ein Durchbruch erzielt wird, wird es für Rechenzentren von großem Vorteil sein, ihre Netzwerkbandbreite zu erhöhen. Die Technologie der optischen Hochgeschwindigkeitsmodule hat die Umstellung von Rechenzentren auf höhere Netzwerkbandbreiten weitgehend verhindert. Sobald optische Hochgeschwindigkeitsmodule entwickelt, implementiert und kommerziell erhältlich sind, werden sie im Rahmen des vergangenen Prozesses zur Verbesserung der Netzwerkbandbreite bald eine Welle von Ersetzungen im eigentlichen Netzwerk und in allen unterstützenden Netzwerkgeräten, optischen Fasern, Netzwerkchips usw. auslösen. wird in Kürze mit der Unterstützung abgeglichen, sodass der Entwicklungsstand der optischen Modultechnologie das Gesamtbandbreitenniveau des Rechenzentrums bestimmt und der wichtigste Teil des Rechenzentrums ist, um die Netzwerkbandbreite zu verbessern.