Инженеры предлагают заменить оптоволокно в ЦОД инфракрасными передатчиками

Инфраструктура центров обработки данных является фундаментом для многих, если не большинства современных информационных систем. В стремлении увеличить плотность комплектующих внутри серверных стоек, чтобы сэкономить ценное пространство внутри машзалов ЦОД, операторы серверных ферм используют все больше проводов, соединяющих между собой отдельные серверы и сетевые системы. Как следствие, стойки начинают напоминать новогодние елки с мигающими индикаторам и запутанными кабелями-гирляндами.

Чтобы исправить ситуацию, команда американских инженеров предложила устранить большинство проводов, заменив их приемниками и передатчикам сигналов в инфракрасном диапазоне, использующих специальную оптику и не занимающих слишком много ценного пространства внутри ЦОД.

Специализированные передатчики и приемники ИК-волн для дата-центров разработали исследователи из Университета штата Пенсильвания (США). Они отмечают, что ранее другие инженеры также пытались создать подобную систему передачи информации внутри ЦОД, но сталкивались с многочисленными проблемами. К примеру, при повышении расстояния между приемником и передатчиком может происходить расфокусировка, ведущая к увеличению объема помех. Это недопустимо, поскольку длина зданий ЦОД может достигать километра, и при этом оборудование внутри каждой стойки должно быть в состоянии обмениваться данными с любой другой системой внутри здания.

Ранее эксперименты в этой сфере проводили инженеры Microsoft. Исследователи обнаружили, что передача сигналов с использованием беспроводных радиочастотных каналов приводила к повышению помех, что, в свою очередь, накладывало ограничение на число активных звеньев и, как следствие, ограничивало пропускную способность сети (то есть объем данных, которые могут передаваться через систему в течение ограниченного промежутка времени).

Выступая на конференции Photonics West 2017 в Сан-Франциско (США), исследователи из Университета штата Пенсильвания заявили, что им удалось сделать прорыв в этой области. Они использовали недорогие объективы и получили очень узкие инфракрасные лучи с нулевым уровнем интерференций. Система передачи данных на основе таких устройств не имеет ограничений по количеству соединений и обладает высокой пропускной способностью.

Новая система передачи данных получила название Free-space optical Inter-Rack nEtwork with high FLexibilitY (или Firefly для краткости). Она обладает уникальной архитектурой и является результатом совместного проекта исследователей из Университета штата Пенсильвания и их коллег из двух других американских высших учебных заведений: Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук и Университета Карнеги-Меллона.

Система будет использовать инфракрасные лазеры и приемники, устанавливаемые на верхней части серверных стоек для передачи информации. Лазерные модули быстро реконфигурируются и нацеливаются на любую стойку. Приемник получает инфракрасный сигнал и направляет его в волоконно-оптический кабель, который посылает информацию в направлении сервера или сетевого устройства. Система требует минимального человеческого вмешательства.

По словам исследователей, внутри дата-центров может размещаться вплоть до нескольких сотен тысяч серверов. Эти машины находятся внутри стоек, заполняющих помещения длинной до километра. Как правило, большую часть времени около 30 процентов серверов не используются, активируясь только в периоды пиковой нагрузки. Однако, поскольку эти машины все еще активны, они продолжают создавать тепло и нуждаются в охлаждении. Специалисты Университета штата Пенсильвания прогнозируют, что к 2020 году дата-центры будут использовать в общей сложности 140 миллиардов киловатт электроэнергии в час, что эквивалентно количеству электроэнергии, вырабатываемой 5 десятками электростанций.

При этом проблема кроется не только в нагромождении волоконно-оптических кабелей и расходовании электроэнергии на простаивающие серверы – нельзя забывать и о пропускной способности сети. Когда сотни кабелей сливаются в несколько, возникают узкие места, которые замедляют передачу данных из-за снижения скорости, мешая оборудованию внутри дата-центра получать запросы и выдавать информацию. Гибкая настраиваемая система ИК-приёмопередатчиков может серьезно уменьшить число таких узких места и даже способствовать сокращению количества серверов, необходимых для нормального функционирования ЦОД.

Исследователи, разработавшие архитектуру Firefly, пока еще не успели реализовать ее в реальном ЦОД. Они создали упрощенный прототип стоимостью в $20 000 для проверки концепции, чтобы показать, что их инфракрасный лазер может передавать сигналы. Система может передавать двунаправленный поток данных со скоростью 10 Гбит в секунду при допустимом уровне ошибок, вызванных помехами, шумами и искажениями. Используемые в прототипе лазеры способны генерировать инфракрасный сигнал с длиной волны в 1550 нанометров – луч с такой же длиной волны, используется в волоконно-оптических кабелях.

Создатели Firefly также использовали специальные микроэлектромеханические системы (МЭМС), состоящие из крошечных зеркал с диаметром всего 2 миллиметра и моторов для быстрого нацеливания на приемники и реконфигурации. Такие МЭМС используют небольшое количество электроэнергии, чтобы изменить положение зеркала. Движение зеркал настолько несущественно, что его практически невозможно заметить невооруженным глазом. Потребляемая мощность одной такой системы МЭМС составляет менее 1 мВт.