Überblick über Rechenzentrum Hochgeschwindigkeits-Lichtkommunikation: Technologische Innovationen unterstützen die digitale Infrastruktur der Zukunft

Wesentliche Elemente für Rechenzentren der nächsten Generation

Mit der rasanten Entwicklung der digitalen Gesellschaft gewinnt die Rolle von Rechenzentren immer mehr an Bedeutung. Ein Schlüsselfaktor für Rechenzentren der nächsten Generation ist hohe Geschwindigkeit. Die zunehmende Verbreitung von Cloud Computing und KI hat zu einem dramatischen Anstieg des Datenverarbeitungsbedarfs geführt und damit den Bedarf an noch schnellerer Datenübertragung und -verarbeitung geschaffen.

Da Rechenzentren typischerweise große Mengen Strom verbrauchen, ist Energieeinsparung unerlässlich, um die Umweltbelastung zu reduzieren. Skalierbarkeit, um auch zukünftige Datenmengen flexibel bewältigen zu können, Systemstabilität und ein hohes Maß an Sicherheit, um den Risiken von Cyberangriffen und Informationslecks entgegenzuwirken, sind ebenfalls erforderlich. Darüber hinaus ist es wichtig, die Betriebskosten niedrig zu halten und eine hohe Leistung zu erzielen.

Überall auf der Welt werden Hochgeschwindigkeits-Rechenzentren für optische Kommunikation als leistungsstarkes System gebaut, um diese Anforderungen an Rechenzentren der nächsten Generation zu erfüllen.

Was sind Hochgeschwindigkeits-Rechenzentren für optische Kommunikation?

Rechenzentren für optische Hochgeschwindigkeitskommunikation ergänzen oder ersetzen die elektrische signalbasierte Kommunikation über herkömmliche Kupferleitungen durch die Datenübertragung und -verarbeitung mittels Glasfasern und optischen Signalen. Durch die Verbindung von Servern, Racks und Rechenzentren mit Glasfasern zur Informationsübertragung über optische Signale erreichen sie eine schnelle und umfangreiche Informationsübertragung.

Von Hochgeschwindigkeits-Rechenzentren für optische Kommunikation wird erwartet, dass sie nicht nur der KI und Cloud-Diensten Vorteile bringen, sondern auch anderen Branchen wie dem Finanzwesen, der Medizin/dem Gesundheitswesen, der Unterhaltungsbranche und der Automobilbranche.

Im Finanzwesen beispielsweise werden Hochfrequenzhandel, komplexe Finanzmodellberechnungen und andere Aufgaben, die eine latenzarme und hochvolumige Datenverarbeitung erfordern, effizienter. In der Medizin und im Gesundheitswesen wird es möglich sein, große Mengen medizinischer Daten (für bildgebende Diagnosen usw.) in Echtzeit zu versenden und zu verarbeiten, und wir könnten Fortschritte in Bereichen wie der Telemedizin und der Diagnoseunterstützung durch KI erleben. In der Unterhaltungsindustrie werden Dienste wie hochwertiges Videostreaming und Cloud-Gaming leichter verfügbar sein. In der Automobilindustrie werden Hochgeschwindigkeits-Rechenzentren für optische Kommunikation eine Schlüsselrolle spielen, um im Zuge der Weiterentwicklung der autonomen Fahrtechnologie eine schnelle und latenzarme Datenverarbeitung für die Echtzeitkoordination zwischen autonomen Fahrzeugen und Cloud-basierten Systemen zu erreichen.

Hauptmerkmale von Rechenzentren für optische Hochgeschwindigkeitskommunikation

Die in Rechenzentren für optische Hochgeschwindigkeitskommunikation verwendeten optischen Signale bewegen sich im Vakuum mit etwa 300.000 km pro Sekunde*1. In Glasfasern ist die Geschwindigkeit zwar etwas geringer, aber immer noch höher als die 200.000 km pro Sekunde, die elektrische Signale in Kupferdrähten erreichen. Da die optische Kommunikation zudem weniger gedämpft ist als elektrische Signale, eignet sie sich gut für die Fernübertragung und kann die Kommunikationsgeschwindigkeit innerhalb und außerhalb eines Rechenzentrums deutlich erhöhen.
*1 Willkommen – BIPM (Suche – BIPM)

Die Glasfaserkommunikation bietet noch weitere Vorteile. Glasfasern bieten eine hundertmal höhere Bandbreite als elektrische Kabel und ermöglichen so die gleichzeitige Übertragung größerer Datenmengen. Darüber hinaus kann eine einzelne Glasfaser mithilfe der Wellenlängenmultiplextechnologie (WDM), auf die später noch eingegangen wird, mehrere optische Signale unterschiedlicher Wellenlängen gleichzeitig übertragen. Dies ermöglicht eine deutliche Steigerung der Datenübertragungskapazität.

Der Einsatz von Licht ermöglicht es auch, den Stromverbrauch eines Rechenzentrums zu senken. Mit einer geringeren Signaldämpfung als elektrische Kabel haben Glasfasern weniger Leistungsverluste bei der Übertragung über große Entfernungen. Da optische Geräte weniger Wärme erzeugen als elektrische Geräte, kann auch die Belastung des Kühlsystems reduziert werden. Schließlich reduziert die direkte Verwendung optischer Signale in einem Rechenzentrum die Anzahl der Umwandlungen von elektrisch zu optisch und minimiert den Leistungsverlust bei der Umwandlung. Aufgrund dieser Faktoren können Hochgeschwindigkeits-Rechenzentren für die optische Kommunikation unter bestimmten Bedingungen Energieeinsparungen von 30 % oder mehr im Vergleich zu herkömmlichen Rechenzentren erzielen. *2
*2 Zukünftige Halbleiterstrategie und optische Rechenzentren der nächsten Generation, die durch zukünftige optoelektronische Konvergenztechnologien (JP) ermöglicht werden

Rechenzentren für optische Hochgeschwindigkeitskommunikation können ihre Netzwerkkapazität durch den Einbau neuer Glasfasern einfacher erweitern als herkömmliche Rechenzentren und ermöglichen so eine flexible Reaktion auf schnell steigende Datenmengen. Glasfasern sind dünner und leichter als elektrische Kabel, wodurch mehr Systeme auf begrenztem Raum betrieben werden können.

Dank dieser Eigenschaften wird erwartet, dass Rechenzentren für die optische Hochgeschwindigkeitskommunikation als Grundlage für die Datenverarbeitung der nächsten Generation dienen werden.

Vorteile der optischen Verbindung zwischen Rechenzentren

Optische Kommunikationstechnologie spielt eine wichtige Rolle bei der Kommunikation zwischen Rechenzentren, die Dutzende oder Hunderte von Kilometern voneinander entfernt liegen. Die optische Verbindung von Rechenzentren ermöglicht eine schnelle und umfangreiche Datenübertragung zwischen geografisch verteilten Rechenzentren. Je größer die Entfernung, desto deutlicher werden die Vorteile der optischen Verbindung, insbesondere hinsichtlich hoher Bandbreite und geringer Latenz. Der Einsatz des für die optische Kommunikation entwickelten Wellenlängenmultiplexverfahrens (WDM) und der 400G ZR-Technologie mit Datenübertragungsgeschwindigkeiten von 400 Gigabit pro Sekunde (400 Gbit/s)*3 ermöglicht die Kommunikation mit weit entfernten Rechenzentren mit extrem geringer Latenz.
*3 Welche Technologie ermöglicht die Hochgeschwindigkeitsnetze der nächsten Generation, bekannt als 400G ZR? | Ruijie Networks Japan (JP)

Optische Verbindungen bieten auch Vorteile aus Sicht der Informationssicherheit. Das Abfangen optischer Signale von außen ist sehr schwierig, da sie nicht von elektromagnetischen Störungen beeinflusst werden und der Signalverlust aus den Glasfasern extrem gering ist. Optische Signale sind hochgradig verschlüsselungskompatibel, und es besteht erhebliches Potenzial für die zukünftige Implementierung von Quantenkryptografie-Kommunikation über Glasfasern. Aufgrund dieser Eigenschaften sind optische Verbindungen die ideale Wahl für Rechenzentren von Unternehmen mit hohen Sicherheitsanforderungen.

DWDM-Übertragungstechnologie für die optische Kommunikation der nächsten Generation

Die Wellenlängenmultiplextechnologie (WDM) ermöglicht deutliche Verbesserungen der Kommunikationsgeschwindigkeiten in Rechenzentren für optische Hochgeschwindigkeitskommunikation. WDM ermöglicht die gleichzeitige Übertragung mehrerer optischer Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen über eine einzige Glasfaser. In den letzten Jahren wurde zudem eine dichtere Variante von WDM entwickelt, das sogenannte DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). DWDM kann optische Signale mit bis zu 160 oder mehr Wellenlängen gleichzeitig über eine einzige Glasfaser übertragen. Jedes dieser Signale hat eine Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Gbit/s*4 oder mehr pro Wellenlänge, wodurch die Übertragung von mehreren Terabit pro Sekunde über eine Glasfaser möglich ist. Dies stellt eine deutliche Steigerung der Übertragungskapazität im Vergleich zur herkömmlichen WDM-Technologie dar.
*4 Einführung in die WDM-Technologie: Grundlagen und Anwendungen des Wellenlängenmultiplexverfahrens zur Unterstützung der Kommunikation der nächsten Generation | newji (JP)

Auf der Sendeseite der DWDM Übertragungstechnologie erzeugen Laser Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen, und Daten werden auf jede Wellenlänge moduliert. Diese Signale werden von einem MUX-Filter gemultiplext und über eine einzelne Glasfaser gesendet. Auf der Empfangsseite trennt ein DEMUX-Filter die kombinierten Wellenlängen wieder in die ursprünglichen Daten.
Der Hauptvorteil von DWDM liegt in der Möglichkeit, die Übertragungskapazität unter Nutzung der vorhandenen Glasfaserinfrastruktur deutlich zu erhöhen. Dies ermöglicht den einfachen Ausbau von Kommunikationsnetzen unter voller Ausnutzung der vorhandenen Infrastruktur und somit eine deutliche Kostenoptimierung.

Digitale kohärente Übertragungstechnologie ermöglicht Hochgeschwindigkeitskommunikation

Neben der WDM-Technologie ist die digitale kohärente Übertragung eine weitere optische Hochgeschwindigkeitskommunikationstechnologie, die ab etwa 2010 eingeführt wurde. Die digitale kohärente Übertragungstechnologie ist ein fortschrittliches Modulationsverfahren, das sowohl die Amplitude als auch die Phase optischer Kommunikationssignale nutzt, um mehr Informationen gleichzeitig zu übertragen. Diese Technologie ermöglicht optische Kommunikation mit höheren Geschwindigkeiten und über größere Entfernungen im Vergleich zu herkömmlichen Direktdetektionsverfahren.

Bisher wurden bei der optischen Kommunikation digitale Signale mittels Licht-Ein/Aus-Tasten übertragen. Dies war vergleichbar mit dem Ein- und Ausschalten einer Taschenlampe zum Senden von Nachrichten in Morsecode. Im Gegensatz dazu ermöglicht die digitale kohärente Übertragung die Integration von mehr Informationen in das Licht durch Änderung der Phase (der Farbe des Taschenlampenlichts) und der Amplitude (Intensität). Konkret moduliert der Sender Höhe (Amplitude) und Form (Phase) elektromagnetischer Lichtwellen, bevor ein Lichtsignal gesendet wird. Auf der Empfängerseite wandelt ein Lichtdetektor das Signal in ein elektrisches um und führt eine digitale Signalverarbeitung durch, um während der Übertragung auftretende Verzerrungen zu korrigieren und das ursprüngliche Signal mit hoher Präzision wiederherzustellen.
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Ein wesentlicher Vorteil der digitalen Kohärenztechnologie ist ihre Fähigkeit, 100 Gbit/s oder mehr pro Wellenlänge mit hoher Geschwindigkeit zu übertragen. Dadurch können mehr Informationen innerhalb begrenzter Bandbreiten übertragen werden. Aufgrund der geringen Signalverschlechterung ist sie zudem für optische Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsrechenzentren, die Fernübertragungen durchführen, unverzichtbar geworden.

Vielversprechende neue Technologie: Co-Packaged Optics (CPO)

Eine der Kerntechnologien, die die nächste Generation von Hochgeschwindigkeits-Rechenzentren für die optische Kommunikation unterstützen, ist eine neue Plattform namens Co-Packaged Optics (CPO). CPO ist eine fortschrittliche Technologie, die elektronische Chips und optische Engines in einem einzigen Gehäuse integriert. Diese Technologie kann die Kommunikationsgeschwindigkeit in einem Rechenzentrum drastisch erhöhen und gleichzeitig den Stromverbrauch erheblich senken.

Ein Vorteil von CPO ist die Hochgeschwindigkeitskommunikation. Die Minimierung der Distanz zwischen elektronischen Chips und optischen Komponenten ermöglicht extrem schnelle Datenübertragung. Zudem reduzieren die kürzeren elektrischen Leitungslängen und die reduzierte Konvertierungsfrequenz zwischen optischen und elektrischen Signalen den Stromverbrauch deutlich. Die Integration mehrerer Funktionen in ein einziges Gehäuse führt zudem zu einer Miniaturisierung des Gesamtsystems und einer höheren Dichte. Die CPO-Technologie kann die Bandbreite jedes Chips auf mehrere Terabit pro Sekunde erweitern und dürfte daher eine zentrale Rolle bei der Unterstützung der nächsten Generation optischer Hochgeschwindigkeits-Rechenzentren spielen.

Wie bereits erwähnt, sind Hochgeschwindigkeits-Rechenzentren für optische Kommunikation leistungsstarke Systeme, die viele für Rechenzentren der nächsten Generation notwendige Eigenschaften bieten, wie hohe Geschwindigkeit, hohe Kapazität, geringe Latenz, Energieeffizienz und hohe Sicherheit. Die Einführung fortschrittlicher Technologien wie DWDM Übertragung, digitaler Kohärenztechnologie und CPO wird zu weiteren Leistungsverbesserungen führen.

Da die Nachfrage nach Datenverarbeitung mit der Weiterentwicklung unserer digitalen Gesellschaft weiter steigt, werden sich Rechenzentren für die optische Hochgeschwindigkeitskommunikation zweifellos weiterhin zu einem kritischen Infrastrukturelement entwickeln.