Welche verschiedenen Domänen der optischen Kommunikation gibt es? Die Rollen von Telekommunikation, Datenkommunikation, DCI und optischen Transceivern

Warum die optische Kommunikationsinfrastruktur im Zeitalter der KI immer wichtiger wird

Wir sind täglich auf Internetverbindungen, Videostreaming und Cloud-Dienste angewiesen. Dahinter steht die globale Infrastruktur der optischen Kommunikation. Diese lässt sich jedoch grob anhand der Übertragungsdistanz in zwei Bereiche unterteilen. Dieser Artikel erläutert diese beiden Bereiche der optischen Kommunikation und die zentrale Bedeutung optischer Transceiver in jedem Bereich.

Was ist der Unterschied zwischen Telekommunikation und Datenkommunikation? Zwei Kommunikationsbereiche, die optische Kommunikation unterstützen.

Da sich KI in den letzten Jahren rasant verbreitet hat, sind auch die Kommunikationsgeschwindigkeiten stetig gestiegen. Der Datenverkehr hat ebenfalls jährlich zugenommen, wobei die steigende Nachfrage nach KI dieses Wachstum zusätzlich beschleunigt hat. Die optische Kommunikationsinfrastruktur, die in zwei Netzwerkdomänen unterteilt ist, ermöglicht diese enorme Datenmenge.

Optische Kommunikation lässt sich grob in zwei Bereiche unterteilen: Telekommunikation und Datenkommunikation. Telekommunikation umfasst Fernverbindungen zwischen Städten und Ländern, während Datenkommunikation Kurz- bis Mittelstreckenverbindungen innerhalb von Rechenzentren abdeckt. Mit dem wachsenden Bedarf an KI beschleunigt sich die Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Kommunikationstechnologien, insbesondere im Bereich der Datenkommunikation. *DCI (Data Center Interconnect) wird später in diesem Artikel ausführlicher erläutert.

Wie Telekommunikation und Datenkommunikation verbunden sind: Die Architektur der optischen Kommunikationsinfrastruktur

Das folgende Diagramm zeigt die Gesamtstruktur der optischen Kommunikationsinfrastruktur, die sowohl Telekommunikation als auch Datenkommunikation umfasst. Beim Zugriff auf Cloud-Dienste über unsere Smartphones arbeitet die Telekommunikation, die für die Fernkommunikation zuständig ist, mit der Datenkommunikation zusammen, um die Daten zu übertragen.

Obwohl diese beiden Bereiche physisch durch Glasfaserkabel verbunden sind, unterliegen sie je nach Dienstanbieter klar getrennten Zuständigkeiten. In Japan wird der Telekommunikationsbereich von Kommunikationsnetzbetreibern wie NTT verwaltet, in den USA hingegen von Anbietern wie Verizon. Rechenzentren werden dagegen von großen Cloud-Service-Providern (CSPs) wie Google, AWS, Meta und Microsoft betrieben.

An der Grenze zwischen den beiden Domänen sind Geräte installiert, die für Vermittlung und Weiterleitung zuständig sind. Diese Geräte schalten zwischen den Sicherheitsdomänen um und konvertieren Signalformate. Die Daten, die wir in unserer alltäglichen Kommunikation verwenden, werden über dieses komplexe Netzwerk ausgetauscht.

Warum optische Transceiver unverzichtbar sind: Ihre Rolle bei der Unterstützung der Kommunikation in Rechenzentren

Das Wachstum des Datenverkehrs in den letzten Jahren stellt eine völlig andere Entwicklung dar als der traditionelle Anstieg der durch menschliche Aktivitäten generierten Daten. Haupttreiber dieser Veränderung ist die Künstliche Intelligenz (KI). Das Training von KI-Modellen erfordert die wiederholte Verarbeitung massiver Datensätze, während die Inferenz mithilfe trainierter Modelle Echtzeitfähigkeit voraussetzt. Diese Arbeitslasten erfordern Rechenressourcen, die um Größenordnungen höher sind als jene, die für den herkömmlichen Datenkonsum benötigt werden.

Rechenzentren enthalten Zehntausende von Gehäusen, sogenannte Racks, die jeweils mehrere Serverplatinen beherbergen. Während die Leistung der in den Servern eingesetzten CPUs, GPUs und TPUs entscheidend ist, spielt die Datenkommunikationsgeschwindigkeit zwischen den Serverplatinen und zwischen den Racks eine ebenso wichtige Rolle für die Gesamtleistung des KI-Rechenzentrums.

Für die schnelle Übertragung großer Datenmengen zwischen Serverplatinen und Racks ist optische Kommunikation unerlässlich. Bei der Übertragung elektrischer Signale über Distanzen von mehreren zehn Zentimetern oder mehr auf einer Leiterplatte spielen Signalverschlechterung und hoher Stromverbrauch eine wichtige Rolle. Daher wird Glasfaser auch für die Kommunikation zwischen Serverplatinen innerhalb desselben Serverracks eingesetzt. Das Gerät, das die entscheidende Funktion der Umwandlung elektrischer in optische Signale übernimmt, ist der optische Transceiver. Eine detailliertere Erklärung des grundlegenden Aufbaus und der Funktionsweise optischer Transceiver finden Sie im folgenden Artikel.
Grundlagen und aktuelle Trends optischer Transceiver

Das obige Diagramm veranschaulicht die Kommunikationsreichweite (Übertragungsdistanz) und die angeschlossenen Geräte innerhalb eines Rechenzentrums.
Auf all diesen Ebenen entwickeln sich optische Transceiver kontinuierlich weiter und erreichen immer höhere Geschwindigkeiten. Die Datenkommunikation in Rechenzentren schreitet von den heute üblichen 800 Gbit/s auf 1,6 Tbit/s und schließlich auf 3,2 Tbit/s voran. Telekommunikationsnetze ermöglichen derweil Hochleistungs- und Weitverkehrsverbindungen zwischen Städten und Ländern. In den letzten Jahren hat die steigende Nachfrage nach KI den Bedarf an schnelleren Datenzentrumsverbindungen (DCI) zusätzlich beschleunigt.

Die Faktoren, die die wachsende Nachfrage nach DCI (Data Center Interconnect) antreiben

Ein Grund für die wachsende Nachfrage nach schnellerer Kommunikation zwischen Rechenzentren ist, dass Hyperscaler in den letzten Jahren zunehmend geografisch verteilte Rechenzentrumsarchitekturen übernommen haben. Ziel dieser verteilten Implementierung ist es, die Geschäftskontinuität sicherzustellen. Unternehmen, die globale Cloud-Dienste anbieten, verteilen ihre Rechenzentren an mehreren Standorten, um die enormen Strommengen sichern zu können, die sie benötigen, und ihre Dienste auch dann bereitzustellen, wenn ein einzelnes Rechenzentrum aufgrund eines großflächigen Stromausfalls, Brandes, Naturkatastrophen oder anderer Störungen nicht verfügbar ist.

Ein weiterer aktueller Trend ist die Entwicklung von „Scale-Across“-Architekturen. Hierbei ermöglichen schnellere DCI-Verbindungen die Kommunikation zwischen geografisch getrennten Rechenzentren mit geringer Latenz und Bandbreite, vergleichbar mit der eines einzelnen Rechenzentrums. Dadurch können mehrere physisch voneinander entfernte Einrichtungen als einheitliches verteiltes Rechenzentrumssystem betrieben werden. Infolgedessen steigt die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen Rechenzentren kontinuierlich.

Technische Anforderungen für DCI

DCI wird typischerweise über Entfernungen von etwa 10 bis 80 km eingesetzt und verbindet mehrere Rechenzentren in Ballungsräumen. Daher zählt DCI auch zu den wichtigsten Anwendungsgebieten der kohärenten optischen Kommunikationstechnologie, die in einem separaten Artikel näher erläutert wird.

Der schnell wachsende Markt für optische Transceiver im KI-Zeitalter und Zukunftsaussichten

Wie in diesem Artikel erläutert, werden Geräte in Telekommunikationsnetzen, Rechenzentrumsverbindungen und der internen Kommunikation über Glasfaserkabel verbunden. An jedem Ende jeder Verbindung sind optische Transceiver installiert. Am Sender (Tx) wandelt ein optischer Transceiver elektrische Signale in optische Signale für die Übertragung um. Am Empfänger (Rx) wandelt er die eingehenden optischen Signale wieder in elektrische Signale zurück. Diese bidirektionale elektrisch-optische und optisch-elektrische Wandlung ermöglicht die Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit über große Entfernungen. Der Markt für optische Transceiver wächst rasant, insbesondere im Bereich der Rechenzentren. Angetrieben durch die steigende Nachfrage nach KI expandiert der Markt für Ethernet-Transceiver weiterhin schnell, wobei die Übertragungsgeschwindigkeiten voraussichtlich auf 1,6 Tbit/s und 3,2 Tbit/s steigen werden.

Eine detaillierte Erklärung der Unterschiede zwischen bps, bps/lane und Baudrate, die den Fortschritten bei den optischen Transceiver-Geschwindigkeiten sowie den technischen Herausforderungen der 400-Gbit/s/lane-Ära zugrunde liegen, finden Sie im folgenden Artikel.
Wie wird die Kommunikationsleistung optischer Transceiver bestimmt? Eine Erklärung von bps, bps/Lane und Baudrate.