Repousser les limites des performances DCI optiques Webscale

SPONSORISÉ: Depuis près de 150 ans, nous faisons de notre mieux pour mettre les messages en lumière. Depuis le photophone dans les années 1880, qui utilisait la lumière pour relayer les communications vocales, jusqu'aux premiers câbles à fibre optique dans les années 1980, la lumière a été un moyen de communication de données rapide et fiable. Plus nous réussissons à envoyer des messages à travers le verre souterrain et sous-marin, plus les gens veulent les utiliser. Mais le défi a toujours été de savoir comment augmenter la capacité pour faire face à la croissance des données.

Le volume d'informations fournies, stockées et traitées dans le cloud continue d'augmenter, obligeant les opérateurs de centres de données à trouver de nouvelles façons de transférer des masses de données numériques vers et depuis leurs installations aussi rapidement que possible pour éviter les goulots d'étranglement des performances des applications et des services. Les centres de données doivent désormais échanger de nombreux térabits de données chaque seconde, et répondre à cette demande nécessite des compétences, de la sophistication et du silicium. Cela place les solutions d'interconnexion de centres de données optiques (DCI) qui envoient le trafic directement d'une installation d'hébergement ou d'un centre de données à un autre comme peut-être la partie la plus critique de ces réseaux de données mondiaux.

Les besoins en DCI optique se décomposent en trois segments principaux, explique Serge Melle, qui dirige le marketing produit des réseaux optiques chez Nokia. Le premier consiste à connecter de grands centres de données ou points d'échange Internet au sein d'une zone métropolitaine, en les transformant efficacement en une installation virtuelle plus grande. "Ensuite, il est également nécessaire d'interconnecter les centres de données entre les pays et même entre les continents." il dit.

Pendant des années, ces deux cas ont été les principaux cas d'utilisation, mais les choses ont ensuite changé à mesure que l'informatique de pointe évoluait et que les fournisseurs de cloud rapprochaient leurs services des bords du réseau.

"Les opérateurs de centres de données utilisent l'infrastructure d'autres fournisseurs, souvent appelés fournisseurs d'infrastructure neutres ou numériques, pour relever ce défi", déclare Melle. "La réduction des distances de liaison et le traitement des données plus près de la périphérie augmentent la qualité du service, mais vous devez toujours déplacer les données vers ces emplacements périphériques à partir des centres de données distants afin de prendre en charge l'appairage métropolitain local."

Les entreprises qui construisent ces connexions sont confrontées à deux défis principaux, dont le premier et le plus important est la capacité. Qu'il s'agisse d'interconnecter des centres de données dans le métro, sur de longues distances ou de les rapprocher de la périphérie, tous ces cas d'utilisation nécessitent une évolutivité très élevée.

La seconde est moins évidente : l'efficacité énergétique. La part du lion de la consommation d'énergie dans les centres de données provient des ordinateurs qui y fonctionnent et de l'équipement de refroidissement qui les maintient dans des plages de température acceptables. Mais la consommation d'énergie du réseau est également importante.

"Les opérateurs de centres de données ont une approche holistique couvrant tous les aspects de l'infrastructure", explique Melle. "Ils prendront en compte tout ce qui peut réduire le budget énergétique, y compris la puissance par bit nécessaire pour envoyer des informations entre les installations."

Lors de la construction de votre propre DCI optique à base de fibre noire, il est également important de prendre en compte le budget de puissance dans la connexion entre les centres de données. La lumière n'a traditionnellement parcouru au maximum que quelques centaines de kilomètres dans une fibre optique. Ainsi, la DCI longue distance peut nécessiter des répéteurs qui convertissent les signaux lumineux en électricité et inversement avant de les renvoyer sur leur chemin.

La réduction du nombre de répéteurs nécessaires réduit le budget de puissance pour ces connexions longue distance et réduit également les points de défaillance le long de la connexion. La situation idéale, dit Melle, serait de ne pas avoir de répéteurs du tout.

L'industrie des communications a pris de grandes mesures pour augmenter la bande passante basée sur la fibre. Il est déjà passé de la détection directe, qui utilise la puissance de transmission pour communiquer des bits en ajustant l'amplitude de la lumière, à l'optique cohérente, qui ajuste la phase du signal lumineux.

Mais il y a encore beaucoup de place pour améliorer la capacité de communication jusqu'à la limite de Shannon. Nommée d'après son inventeur, le théoricien de l'information Claude Shannon, cette limite représente la vitesse maximale à laquelle un signal peut voyager sur un support compte tenu de deux facteurs : la bande passante (la gamme de fréquences disponibles sur ce canal) et le bruit (interférence).

L'effort de Nokia pour pousser les taux DCI près de la limite de Shannon réside dans le module optique qui convertit les signaux électriques en lumière et les envoie sur le câble. La société a fait évoluer les technologies pour permettre cela, y compris le processeur de signal numérique qui permet la conversion électrique en lumière, en utilisant son chipset Photonic Service Engine (PSE).

"Repousser la limite de la vitesse du DSP vous donne ces améliorations de performances", déclare Melle. En plus d'augmenter les vitesses d'horloge des puces grâce à des tailles de puces de fabrication plus petites, la société inclut également d'autres éléments dans la conception de ses puces. L'un d'eux s'appelle Probabilistic Constellation Shaping (PCS), développé par la société de recherche et développement de Nokia, Nokia Bell Labs.

"PCS adapte en permanence la modulation du signal cohérent pour soit maximiser le nombre de bits transmis, soit minimiser la quantité de spectre utilisée", explique Melle. "Cela remonte à la limite de Shannon, qui définit le nombre maximal de bits par spectre que vous pouvez transmettre. Avec la mise en forme de constellation probabiliste, vous pouvez pousser cela près de la limite de Shannon sur n'importe quelle distance donnée."

L'autre point focal de Nokia est l'intégration, pour laquelle il doit rapprocher le DSP qui effectue la conversation électrique-optique de l'optique utilisée pour transmettre le signal lumineux. Il n'est plus acceptable de connecter des DSP et des optiques sur une carte de circuit imprimé via une piste en cuivre, car cela génère trop de bruit électrique. "Au lieu de cela, vous devez les intégrer dans un module multipuce photonique qui empile la puce DSP et la photonique au silicium ensemble." ajoute Melle.

Ces solutions résolvent des problèmes réels pour les clients. Le fournisseur de communications nord-européen GlobalConnect a utilisé la technologie PSE de Nokia pour connecter ses centres de données sur des milliers de kilomètres de câble à fibre optique. Il devait évoluer à mesure que le marché des connexions à haute capacité et à faible latence se développait. Il a choisi le PSE-V de cinquième génération de Nokia pour créer un seul grand réseau connectant ses infrastructures optiques nationales dans différentes régions d'Europe.

Le PSE-V a augmenté la vitesse de communication entre les points de présence longue distance de GlobalConnect de 10 Gbit/s à 400 Gbit/s, augmentant considérablement la capacité de son réseau. Depuis qu'elle a mis à niveau le réseau, la société a maintenant augmenté la vitesse de son DCI basé dans les pays nordiques à 600 Gbit/s.

En février 2023, Nokia a lancé la sixième génération de son chipset PSE, qui, selon lui, multiplie par trois les performances optiques en termes de distance sur laquelle les données peuvent être transmises sans répéteurs. Et Melle estime que le chipset réduit également la consommation d'énergie de plus de 60 % par rapport au modèle précédent.

La nouvelle optique super-cohérente PSE-6 fonctionne à des vitesses allant jusqu'à 1,2 To/s par longueur d'onde, et deux longueurs d'onde peuvent être utilisées comme un seul canal avec un taux de transfert maximum de 2,4 Gbit/s pour transporter jusqu'à trois Ethernet 800 Gigabit ( 800GE) utilisant une seule carte de ligne sur des distances métropolitaines. Le système peut également transmettre des services 800GE sur une seule longueur d'onde sur de longues distances.

Nokia a récemment terminé un essai sur le terrain sur le réseau de GlobalConnect démontrant la transmission PSE-6s à 800 Gb/s sur 2 019 km sur une seule longueur d'onde. C'est essentiel, dit Melle, car avant cette transmission à 800 Gb/s par longueur d'onde était limitée à plusieurs centaines de kilomètres. . Aujourd'hui, les opérateurs de réseau passent aux interfaces 800GE dans leurs réseaux de routage IP, mettant la pression sur les modules optiques pour prendre en charge efficacement ces nouvelles vitesses d'interface Ethernet.

Nokia avait déjà développé du silicium pour prendre en charge ces nouvelles vitesses d'interface de routeur IP. En 2021, il a présenté son silicium de traitement de réseau FP5, qui achemine le trafic du fournisseur de réseau avec des interfaces 800GE pour fournir un débit haut débit de bout en bout.

Le PSE comprend également certaines mesures de sécurité conçues pour protéger les données des clients. L'un d'eux est le cryptage AES 256, utilisant ce que Nokia dit être des clés symétriques "à l'épreuve des quanta", protégeant, espérons-le, les clients de la "quantopocalypse", le point auquel les ordinateurs manipulant les qbits aideront à casser le cryptage asymétrique. Une autre caractéristique protège contre les attaques physiques en surveillant les connexions pour les variations des niveaux de puissance optique. Cela pourrait détecter les coupures faites dans un câble à fibre optique pour écouter les communications.

Alors que l'appétit pour plus de capacité entre les centres de données augmente, la demande d'optiques cohérentes ayant une plus grande échelle et de meilleures performances ne montre aucun signe de ralentissement. L'analyste de marché Cignal.ai prévoit un taux de croissance de cette technologie de plus de 40% par an pour les quatre prochaines années. La capacité à extraire jusqu'à la dernière goutte de la capacité de communication des connexions par fibre - qu'elles soient métropolitaines, basées sur les bords ou via des câbles sous-marins longue distance - sera essentielle pendant longtemps encore.

Sponsorisé par Nokia.

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