Wie werden sich Glasfaser-Transceiver für zukünftige Rechenzentren entwickeln?

In modernen Rechenzentren spielen Glasfaser-Transceiver seit jeher eine wichtige Rolle. Und ihre Bedeutung wird in den kommenden Jahren weiter zunehmen, da Serverzugriffe und Switch-to-Switch-Verbindungen immer höhere Geschwindigkeiten erfordern, um den steigenden Bandbreitenbedarf durch Video-Streaming, Cloud Computing und -Speicherung sowie Anwendungsvirtualisierung zu decken. Welche Herausforderungen stellen Rechenzentrumsanwendungen für sie dar? Und wie werden sich Glasfaser-Transceiver für zukünftige Rechenzentren weiterentwickeln?

Herausforderung bei den Kosten von Glasfaser-Transceivern

In einem riesigen Rechenzentrum laufen Tausende von Geräten. Angenommen, ein einziges riesiges Rechenzentrum beherbergt 100.000 Server, die durch ein hochredundantes horizontales Netz miteinander verbunden sind, erfordert eine ähnlich hohe Zahl optischer Verbindungen. Die Zahl der Glasfaser-Transceiver ist mindestens doppelt so hoch wie die Zahl der optischen Verbindungen, da jede Verbindung an beiden Enden mit Glasfaser-Transceivern abgeschlossen werden muss. Tatsächlich kann die Zahl der Glasfaser-Transceiver sogar noch höher sein, wenn optische Breakout-Konfigurationen verwendet werden. Es besteht kein Zweifel, dass derart große Mengen an Glasfaser-Transceivern zu teuer sind und der Entwicklung von Rechenzentren nicht förderlich sind. Daher wird eine kostengünstige Strategie für Glasfaser-Transceiver angestrebt. Für die Anbieter ist es jedoch eine große Herausforderung, niedrige Preise durchzusetzen. Denn die heutigen Preise sind fünf- bis zehnmal so hoch, selbst bei anderen Datenraten oder in anderen Anwendungsbereichen.

Ehrlich gesagt sind Kostensenkungen nur schwer zu erreichen, selbst wenn man nur geringfügige Verbesserungen an bewährten Ansätzen für Transceiver-Design und -Herstellung vornimmt. Eine Lockerung der Spezifikationen, wie z. B. die Senkung der maximalen Betriebstemperatur, die Reduzierung des Betriebstemperaturbereichs, die Verkürzung der Produktlebensdauer sowie die Zulassung der Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC), kann jedoch zur Kostensenkung bei Glasfaser-Transceivern beitragen, da Anbieter so kostengünstigere Designs mit höherem Grad an optischer Integration, nicht hermetischer Verpackung, ungekühltem Betrieb oder vereinfachten Tests einsetzen können.

Der Markt für Glasfaser-Transceiver ist derzeit relativ ausgereift. Dank des MSA (Multi-Source Agreement) haben Endbenutzer mehr Auswahlmöglichkeiten bei der Auswahl der Anbieter, da sie beim Kauf von Glasfaser-Transceivern beim Systemanbieter nicht mehr bezahlen müssen, aber die gleiche Leistung erhalten.

Übergang von 40G auf 100G bei Glasfaser-Transceivern für Rechenzentren

Moderne Mega-Rechenzentren verfügen typischerweise über 10G-Zugangsports, die mit 40G-Switching-Fabrics verbunden sind. 25G-Zugangsports und 100G-Switching-Fabrics werden jedoch in naher Zukunft stark an Bedeutung gewinnen. In Rechenzentren ist der Formfaktor ein wichtiger Faktor für die Anwendung von Glasfaser-Transceivern. Heutige Rechenzentren setzen auf Transceiver im SFP-Format (Small Form-Factor Pluggable) für den Serverzugriff und auf QSFP-Transceiver (Quad Small Form Pluggable) für die Switch-to-Switch-Verbindung. Darüber hinaus werden typischerweise direkt angeschlossene Kupferkabel verwendet, wenn die Entfernung zum Zugangsport weniger als 5 m beträgt, während aktive optische Kabel (AOCs) für größere Reichweiten verwendet werden können.

SFP+-Transceiver (Enhanced Small Form-factor Pluggable) spielen aufgrund ihrer Kompaktheit, Leistung und Kostenersparnis eine Schlüsselrolle bei der 10G-Übertragung. Sie werden seit langem häufig in 10G-Zugangsports eingesetzt. Diese Situation wird sich jedoch in naher Zukunft ändern, wenn die Zugriffsgeschwindigkeit auf 25G steigt und die 10G-Zugangsports auf SFP28 umsteigen. Darüber hinaus wird erwartet, dass das Ökosystem rund um 25G-Lanes in Anwendungen wie Unternehmensnetzwerken der nächsten Generation zum Tragen kommt, was die Nachfrage nach SFP28-Modulen, die über Singlemode-Glasfaser (SMF) für Reichweiten von 10 bis 40 km betrieben werden, ankurbeln wird.

Ein QSFP-Transceiver ist ein paralleler Transceiver, der 4 elektrische Eingangskanäle akzeptiert und mit 4 x 10 Gbit/s arbeitet. Heute wird 40G QSFP+ häufig in Switching Fabrics von Rechenzentren eingesetzt und seine Verbreitung nimmt stark zu, da Rechenzentren 40 GbE einsetzen, insbesondere als hochdichte 10G-Schnittstelle über Breakout-Kabel. IHS Infonetics veröffentlichte im Mai dieses Jahres jedoch eine Studie, die besagt, dass QSFP28-Module in großen Mengen eingesetzt werden, da Rechenzentren ab 2016 von 40G- auf 100G-Switching Fabrics umsteigen. Was ist QSFP28? Wie wir wissen, sind QSFP-Transceiver der ersten Generation mit vier Tx und Rx ausgestattet und jeder Kanal hat eine Rate von 10 Gbit/s. Dank der technologischen Entwicklung kann heute jeder Kanal von QSFP Daten mit bis zu 28 Gbit/s senden und empfangen. Dieser Transceivertyp wird QSFP28 genannt und stellt einen neuen Trend für 100G-Anwendungen dar.

Tatsächlich war „10GbE-40GbE-100GbE“ der erste Weg, 100G zu erreichen. Die ersten Glasfaser-Transceiver, die mit 100G-Transceivern ausgeliefert wurden, waren CFP (100 Gbit/s, 10 x 10G Lane elektrische Schnittstelle wie in 802.3ba definiert). Doch bald kam CFP2 auf den Markt und erreichte eine 5 x 25G (oder 10 x 10G) Lane elektrische Schnittstelle, während es den Formfaktor von CFP um die Hälfte reduzierte. Trotzdem war es zu teuer und der Platzbedarf zu groß, um eine Masseneinführung zu bewirken. Nach CFP2 wurde CFP4 eingeführt, das halb so groß ist wie CFP2. Mittlerweile konkurriert ein anderer Formfaktor, nämlich das oben erwähnte QSFP28. Derzeit scheinen CFP4 und QSFP28 Kopf an Kopf zu liegen. QSFP28 hat gegenüber CFP4 einen Dichtevorteil, aber der höhere maximale Stromverbrauch von CFP4 verschafft ihm einen Vorteil bei längeren optischen Reichweiten. Darüber hinaus gibt es in Rechenzentren einen weiteren Trend: Fast alle Verbindungslängen liegen unter 2 km. Daher scheinen QSFP28-Transceiver, die fast die gleiche Größe wie QSFP+ haben, sowohl für die Intra-Verbindung als auch für das Design des Aggregations-Switches die bessere Wahl zu sein, obwohl es bei QSFP28 noch einige technische Probleme zu lösen gibt.

Überlegungen zu Glasfaser-Transceivern in Rechenzentren über 100G

In der optischen Industrie dreht sich heute alles um Bitraten „über 100G“. Die nächsten Entwicklungen in Rechenzentren werden dem 4x-Trend von 40G und 100G folgen, also 200G, 400G usw. Um die Nachfrage zu befriedigen, sollten auch Glasfaser-Transceiver über 100G hinaus in Betracht gezogen werden. Eine der wichtigsten Kennzahlen für Rechenzentrums-Switches ist die Frontpanel-Bandbreite, d. h. die Gesamtbandbreite aller Transceiver, die in eine 19 Zoll breite und 1 HE hohe Switching-Hardware passen. Im Allgemeinen kann ein gängiger Switch 32 QSFP-Ports auf der Frontplatte aufnehmen. Wenn die Ports QSFP+ sind, beträgt die entsprechende Frontpanel-Bandbreite 1,28 Tbit/s (32 x 40 Gbit/s). Mit dem Upgrade auf QSFP28 erhöht sich diese Bandbreite auf 3,2 Tbit/s (32 x 100 Gbit/s).

Wie sieht es nach QSFP28 aus? Switching-ASICs (Application Specific Integrated Circuits) der nächsten Generation werden voraussichtlich native Portgeschwindigkeiten von 50G und 128 Ports bieten, was einem Nettodurchsatz von 6,4 Tbit/s entspricht. Anders ausgedrückt: Für 200G-Anwendungen würden 200G-QSFP-Module (QSFP56, 4 x 50 Gbit/s) eine Frontpanel-Bandbreite von 6,4 Tbit/s (32 x 200 Gbit/s) ergeben. Der 200-GbE-Standard existiert jedoch bisher nicht. Die Fertigstellung des 200-GbE-Standards würde später erfolgen als die von 400 GbE.

Für 400G-Anwendungen sollten die formalen Standards im Jahr 2015 fertiggestellt sein. Dies entspricht ungefähr dem Zeitpunkt, zu dem die meisten Netzbetreiber mit der ersten Evaluierung und Bereitstellung von 400G-Schnittstellen beginnen wollen. Da das Modul entweder 16 x 25G oder 8 x 50G elektrische Eingangskanäle aufnehmen muss, was die für QSFP definierten 4 Kanäle übersteigt, werden 400G-Transceiver größer sein als QSFP. Zudem erscheint es für einige 400G-Implementierungen unmöglich, die Leistungsgrenze von 3,5 W für QSFP-Module einzuhalten. Daher sind Vorschläge für größere Formfaktoren für 400G von CFP MSA zu erwarten, das bei 100G mit CFP, CFP2 und CFP4 große Erfolge erzielt hat. In diesem Fall wird eine Hauptanforderung sein, dass die Größe mindestens 16 Ports auf der Vorderseite zulässt, um einen Nettodurchsatz von 6,4 Tbit/s (16 x 400 Gbit/s und möglicherweise mehr) zu erreichen.

Insgesamt gibt es angesichts der aktuellen Zielsetzungen derzeit drei mögliche Lösungen für 400G-Glasfaser-Transceiver, von einfach bis schwierig:

Unter diesen scheint die zweite Lösung, nämlich 400G-PSM4, die günstigste zu sein. Die Markteinführungszeit wird zwar länger sein als bei der ersten Lösung, ist aber immer noch angemessen. Darüber hinaus weist sie im Vergleich zu anderen Lösungen die niedrigsten potenziellen Kosten sowie einen geringen potenziellen Stromverbrauch auf.

Aussichten für Glasfaser-Transceiver

Als Schlüsselkomponente von Rechenzentren bietet die Entwicklung von Glasfaser-Transceivern große Perspektiven. Der Übergang von 40G- zu 100G-Verbindungen steht unmittelbar bevor. Gleichzeitig werden Standards jenseits von 100G entwickelt, und es wurden mehrere mögliche Entwicklungspfade vorgeschlagen. Um die Entwicklung von Lösungen sicherzustellen, die den zukünftigen Anforderungen von Rechenzentren hinsichtlich Kosten und Leistung pro Gigabit gerecht werden, sind weitere neue Konzepte für Glasfaser-Transceiver erforderlich. Darüber hinaus sollten die Anbieter von Glasfaser-Transceivern mit der Nachfrage Schritt halten und eng mit Herstellern von Netzwerkgeräten und Rechenzentrumsbetreibern zusammenarbeiten. Wir sind davon überzeugt, dass Glasfaser-Transceiver in Zukunft weitere Formfaktor- und Schnittstellenlösungen bieten werden und sich für zukünftige Rechenzentren immer besser eignen werden.

Fiber-Mart bietet umfassende Lösungen für Glasfaser-Transceiver, die den Anforderungen von 1G- bis 100G-Anwendungen gerecht werden. Wir empfehlen Ihnen unsere gesamte Serie an 40GBASE QSFP+-Transceivern sowie 100G CFP2- und CFP4-Transceivern. Darüber hinaus sind die meisten Basistypen der Transceiver sofort lieferbar und im Großhandel erhältlich. Für weitere Informationen kontaktieren Sie uns bitte unter [email protected] .