Ultraschnelle optische Vermittlung rettet überlastete Rechenzentren

Die Dienste aller Hyper-Scale-Cloud-Anbieter wie Microsoft werden von riesigen Rechenzentren mit Hunderttausenden von Servern betrieben, deren Leistung stark von der Qualität des Netzes zwischen ihnen abhängt. Derzeitige Rechenzentrumsnetzwerke bestehen aus mehreren Schichten elektrischer Paketschalter, die über Glasfasern miteinander verbunden sind. Diese Systeme erfordern eine Umwandlung von elektrischen in optische Signale, was die Kosten und den Stromverbrauch in die Höhe treibt. Erschwerend kommt hinzu, dass die steigenden Datenraten aufgrund von Anwendungen wie KI und Datenanalyse mit der Verlangsamung des Mooreschen Gesetzes einhergehen könnten, was eine effiziente Skalierung der derzeitigen Netzwerkarchitekturen, die auf elektrischen Chips basieren, extrem schwierig machen würde.

Optical Circuit Switches (OCS) sind eine interessante Option zur Überwindung von Bandbreiten- und Skalierungsproblemen in Rechenzentren. Eine besonders vielversprechende OCS-Architektur ist das Wellenlängen-Switching, bei dem verschiedene Server über unterschiedliche Lichtfarben (Wellenlängen) verbunden werden, was zu einer flacheren Netzwerkarchitektur führt und den Bedarf an elektrischen Switches und optischen Transceivern einschränkt. Die Umschaltung der verschiedenen Lichtwellenlängen und die Weiterleitung der Signale an die Zielserver erfolgt durch ein Schaltelement, z. B. ein Glasprisma, durch das die verschiedenen Wellenlängen durch Dispersion getrennt werden können.

Obwohl OCS-Technologien heute auf dem Markt erhältlich sind, sind sie extrem langsam, was bedeutet, dass sie nicht in der Lage sind, die immer schneller werdenden Anwendungen in Rechenzentren zu bewältigen und gleichzeitig die Netzwerkressourcen richtig zu nutzen, um den Overhead zu reduzieren und den Stromverbrauch zu verbessern.

In einer neuen Veröffentlichung in Nature Communications haben Forschungsteams unter der Leitung von Professor Tobias J. Kippenberg an der EPFL und von Dr. Hitesh Ballani bei Microsoft Research Cambridge erfolgreich ultraschnelle OCS für Rechenzentren unter Verwendung chipbasierter Optik demonstriert. Die Forschungsteams arbeiten seit 2018 im Rahmen des Microsoft Swiss Joint Research Center zusammen.

In der vorgeschlagenen Architektur fungieren optische Mikrokämme als Multi-Wellenlängen-Quelle, die kohärente Träger liefert. Optische Verstärker und angeordnete Wellenleitergitter auf der Basis von Halbleitermaterialien übernehmen das Schalten und trennen bzw. kombinieren die verschiedenen Lichtfarben.

Optische Mikrokämme, für die Kippenbergs Gruppe Pionierarbeit geleistet hat, liefern Hunderte von Trägern in gleichem Abstand, die sich für viele Anwendungen eignen. Die Mikrokamm-Quellen werden durch nichtlineare Frequenzumwandlung unter Verwendung eines Siliziumnitrid-Mikroresonators im Chipmaßstab erzeugt und bieten einzigartige Vorteile in Bezug auf Leistung und Größe gegenüber den üblicherweise als Multi-Wellenlängen-Quellen verwendeten Laserarrays.

Mikroresonatoren aus Siliziumnitrid werden im photonischen Damaszener-Verfahren hergestellt, einer CMOS-kompatiblen Technik mit extrem geringen Ausbreitungsverlusten, was für die Herstellung energieeffizienter Mikrokamm-Quellen äußerst wichtig ist.

Die auf Indiumphosphid basierenden optischen Verstärker im Chipmassstab, die in kommerziellen Chip-Fabriken hergestellt werden, schalten zwischen verschiedenen Lichtfarben in Zeiträumen von weniger als einer Nanosekunde um. Dieses ultraschnelle Umschalten zwischen verschiedenen Mikrokamm-Trägern ist wichtig, um die Leistungsanforderungen moderner und künftiger Anwendungen in Rechenzentren zu erfüllen.

Eine Proof-of-Concept-Demonstration auf Systemebene hat gezeigt, dass eine Datenübertragung mit paketweiser Umschaltung möglich ist und somit das Potenzial hat, die Anforderungen von Rechenzentrumsanwendungen zu erfüllen. Schliesslich stellen die Forschenden eine einzigartige Architektur vor, die ein zentrales Kamm-System einsetzt, um die Energieeffizienz zu verbessern und die Komplexität zu reduzieren.

«Soliton-Mikrokämme werden seit ihrer Entdeckung im Jahr 2014 in vielen wichtigen Anwendungen auf Systemebene wie LiDAR, Langstrecken-Datenübertragung und optischer Kohärenztomographie eingesetzt», sagt Kippenberg. «Der potenzielle Einsatz von Mikrokämmen in Rechenzentren, um künftige Bandbreitenanforderungen zu erfüllen und den Stromverbrauch zu reduzieren, festigt die Bedeutung dieser Plattform für wissenschaftliche und technologische Anwendungen.»

«Wir sind von dem enormen Potenzial optischer Mikrokämme fasziniert, daher war es fantastisch, mit dem EPFL-Team bei der Anwendung ihrer weltweit führenden Siliziumnitrid-Mikrokammtechnologie zusammenzuarbeiten, um unsere Rechenzentrumsnetze potenziell zukunftssicher zu machen», sagt Ballani. «Es ist zwar noch ein weiter Weg, bis wir unsere Architektur im grossen Massstab betreiben können, aber die sich rasch verbessernde Leistung von Mikrokämmen und anderen optischen On-Chip-Bauteilen bedeutet, dass die Leistungsgewinne noch höher sein könnten.» Paolo Costa, ein Mitautor von Microsoft Research, fügte hinzu: «Diese Zusammenarbeit ist ein sehr gutes Beispiel dafür, wie wir die Zukunft unserer Netze von Grund neu konzipieren, indem wir gemeinsam mit unseren akademischen Partnern optische Spitzentechnologien entwickeln und nutzen.»

Die Siliziumnitridproben wurden im Center of MicroNanoTechnology (CMi) der EPFL hergestellt und gezüchtet.