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Seit über fünf Jahren arbeitet Clint Schow mit Facebook – jetzt Meta – zusammen, um die Energieeffizienz der Rechenzentren des Social-Media-Riesen zu steigern. Zusammen mit anderen Forschern an der UC Santa Barbara leitete Schow, Professor für Elektro- und Computertechnik, ein Team, dem viele Studenten angehörten, bei der Entwicklung einer kohärenten optischen Verbindung mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 200 Gbit/s bei einer einzelnen Wellenlänge und einem Stromverbrauch von 1,5 Watt.

Das ehrgeizige Projekt umfasste das Design und die integrierte Verpackung von Photonik mit elektronischen Schaltkreisen, die von Professor James Buckwalters Studenten in der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (ECE) entworfen wurden, sowie die Entwicklung von Netzwerkarchitekturen, die photonisches Schalten unter der Leitung von ECE-Forschungsprofessor Adel Saleh nutzen.

Das endgültige Ergebnis? Eine kohärente optische Verbindung, entwickelt in Zusammenarbeit mit Intel und unter der Leitung von Aaron Maharry, der kürzlich seinen Ph.D. abgeschlossen hat. in Schows Labor. Die Vision für die Verbindung wurde vor etwa einem Dutzend Jahren vom emeritierten Professor Larry Coldren, einem Weltpionier für photonische integrierte Schaltkreise (PICs), entwickelt.

„Niemand glaubte, dass es funktionieren könnte“, sagte Coldren. „Sie dachten, wir wären sozusagen zum Mittagessen unterwegs und fragten uns: ‚Warum versuchen Sie, eine kohärente Verbindung in einem Rechenzentrum herzustellen?‘ Das ist verrückt.'"

Die optische Verbindungslandschaft

Wenn in einem Rechenzentrum eine optische Verbindung verwendet wird, werden Informationen von einem Netzwerk-Switch zu einem anderen über ein elektronisches Signal übertragen, das vom ersten Switch zu einem Transceiver-Modul gelangt, das sie in ein optisches Signal umwandelt. Dieses Signal wird dann über Glasfaser gesendet, um am anderen Ende empfangen zu werden, wo es wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. „Wir konzentrieren uns auf den Transceiver-Teil der Verbindung, weil er das Signal an beiden Enden umwandelt“, sagte Maharry.

Maharry, der Schows Gruppe gerade zu Beginn des Projekts beitrat, präsentierte die Forschung auf der Optical Fiber Communication Conference (OFC), dem wichtigsten Treffen für Fachleute für optische Kommunikation und Netzwerke, das Anfang März in San Diego stattfand.

„Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu Rechenzentrumsnetzwerken der nächsten Generation, die auf kohärenten optischen Verbindungen basieren“, sagte Maharry auf der Konferenz. „Diese Verbindungen werden es Rechenzentren ermöglichen, den Netzwerkdurchsatz bei geringerem Energieverbrauch wirtschaftlich zu skalieren, was zu einem besseren, nachhaltigeren und günstigeren Internet führt.“

„Die Stärke von Aarons Artikel ist die Integration – ein extrem hoher Grad an optischer Integration auf der Seite der optischen Geräte und dann die elektrische Integration und das gemeinsame Design dieser beiden Dinge“, sagte Schow. „Dieses großartige Ergebnis zu erzielen war eine beeindruckende Leistung, und ich denke, das ist der Grund, warum OFC unser Papier schätzte und hervorhob.“

Schow nutzt das Analogon eines Autoradios, um zu erklären, was eine kohärente Verbindung bewirkt. „Eine Antenne sendet auf einer bestimmten Frequenz und das Signal geht in alle Richtungen“, sagte er. „Wenn es bei Ihnen ankommt, ist es sehr schwach, aber Sie können es empfangen, indem Sie einen lokalen Oszillator – einen elektrischen Sinuswellengenerator in einem Autoradio – verwenden, der das Signal des von Ihnen ausgewählten Senders verstärkt. Das gleiche Prinzip gilt in der kohärenten Optik. Während der lokale Oszillator optisch ist – ein Laser – ermöglicht er auch eine viel empfindlichere Signalerkennung.“

Die in den Rechenzentren verwendeten optischen Verbindungen, die heute das Rückgrat des Internets bilden, basieren häufig auf einem Kommunikationsansatz, der als Intensitätsmodulations-Direkterkennung (IMDD) bekannt ist und bei dem Informationen nur durch Modulation der Lichtleistungsniveaus kodiert werden. Steigende Datenraten haben zu einem wachsenden Interesse daran geführt, IMDD-Verbindungen durch besser skalierbare kohärente Verbindungen zu ersetzen, aber ihr hoher Stromverbrauch und ihre hohen Kosten haben ihre weitverbreitete Einführung verhindert.

Im Grunde handelt es sich bei der kohärenten optischen Übertragung um eine Technik, die auf der Modulation sowohl der Amplitude als auch der Phase des Lichts bei der Übertragung auf zwei getrennten Polarisationsachsen basiert, um den Transport von wesentlich mehr Informationen über ein Glasfaserkabel zu ermöglichen.

Maharry und mehrere Doktorandenkollegen Studenten arbeiteten mit und bei der Intel Corporation zusammen, um eine analog-kohärente Erkennungsverbindungsarchitektur zu entwerfen; Das heißt, eine Verbindung, die eine analoge optische Verarbeitung verwendet, um empfangene Bits direkt in digitale elektrische Signale umzuwandeln. Diese Architektur macht die stromhungrigen digitalen Signalverarbeitungsfunktionen überflüssig, die für herkömmliche kohärente Verbindungen mit größerer Reichweite erforderlich sind, wie sie beispielsweise in transozeanischen Glasfaserkabeln verwendet werden, aber für die kürzeren Distanzen, die Signale innerhalb eines Rechenzentrums zurücklegen, unnötig sind.

„In der gesamten optischen Kommunikationsbranche gibt es einen breiten Trend hin zur Verbindungstechnologie, die höhere Datenraten ermöglicht und die Empfindlichkeit des Empfängers verbessert“, sagte Maharry. „Sie werden häufig für Unterseekabel verwendet, die Tausende von Kilometern zurücklegen können, und wurden im letzten Jahrzehnt etwa für immer kürzere Strecken eingesetzt. Wir haben diese Architektur auf Längen von höchstens ein paar Kilometern für den hochvolumigen Einsatz in Rechenzentren angewendet.“

Es handelt sich um eine technisch anspruchsvolle Aufgabe, für deren Bewältigung sich Maharrys gesamte sechs Jahre als Doktorand in Anspruch nahmen. „Es ist sehr schwierig – aber unerlässlich – diese Technologie sowohl energie- als auch kosteneffizient zu machen, da sie mit einfachen, robusten Direkterkennungstechnologien konkurrieren muss“, sagte er. „Deshalb mussten wir alle Chips neu entwerfen und hinsichtlich der Energieeffizienz optimieren, damit sie mit diesen anderen Technologien konkurrieren können.

„Auf höchster Ebene haben wir einige Funktionen optimiert, die damit zu tun haben, wie das Signal empfangen, aufbereitet und nachbearbeitet wird, um die Daten wiederherzustellen“, fügte er hinzu. „Für größere Reichweiten werden diese Funktionen normalerweise in einem anwendungsspezifischen integrierten DSP-Schaltkreis (ASIC) ausgeführt, der etwa die Hälfte der Kosten ausmacht und die Hälfte des vom gesamten Modul verbrauchten Stroms verbraucht. Wir haben Möglichkeiten gefunden, diese komplizierten Signalverarbeitungsfunktionen im analog-optischen Bereich auszuführen, sodass wir sie vom DSP-Chip entlasten und viel Strom sparen können.“

Kohärente Verbindungen mit geringem Stromverbrauch können rein optisches Switching ermöglichen, eine wichtige neue Technologie. Obwohl es sich nicht um eine neue Technologie handelt, war der Einsatz in riesigen Rechenzentrumsnetzwerken bis letztes Jahr unbekannt. „Niemand hat es wirklich getan, bis Google den Einsatz optischer Schalter in Rechenzentren und Clustern für maschinelles Lernen aufgegeben hat“, erklärte Coldren. „Ich denke, die meisten dachten, es sei zu früh, darüber nachzudenken, und dass die aktuelle Technologie in absehbarer Zukunft skalierbar sein würde.“

Die Forschung von Professor Schow konzentriert sich auf die enge Integration von Elektronik und Photonik, um die Grenzen der Geschwindigkeit und Effizienz der photonischen Verbindungen und optischen Netzwerke zu erweitern, auf die Rechenzentren und Computer zunehmend angewiesen sind, um Daten auszutauschen und zu übertragen.

Schow weist darauf hin, dass Google kürzlich die gesamte Branche erschüttert hat, als es ankündigte, dass es in seinen Rechenzentren seit fünf Jahren in großem Umfang optisches Switching einsetzt. „Das war von Anfang an unsere wichtigste Anwendung“, sagte er. „Dass Schlager wie Google das eingeführt haben, bestätigt die Geschichte, an der wir schon seit einiger Zeit schreiben.“

„Google setzt diese optischen Schalter ein und erzielt dadurch unglaubliche Leistungs- und Energieeffizienzverbesserungen“, sagte Maharry, „aber da das Signal durch eine Reihe optischer Schaltkomponenten geleitet werden muss, ist es schwieriger zu erkennen, also muss man es tun.“ Arbeite härter, um es auf der anderen Seite aufzuheben. Unsere Links sind robuster als die von Google und können einen größeren Signalverlust tolerieren. Deshalb sind wir so begeistert von dieser optischen Schaltanwendung.“

Coldren bemerkte: „In den letzten zwei bis drei Jahren hat jeder angefangen zu sagen, dass Coherent kommt, die Zukunft aber wahrscheinlich noch Raum für neu gestaltete DSPs bietet.“ In diesem Artikel gibt es jedoch keinen DSP. Wir betreiben analoge Signalverarbeitung.“

Eine einzigartige Zusammenarbeit

Intel arbeitete für einen Teil des Projekts mit Schows Gruppe zusammen und ermöglichte so mehreren UCSB-Doktoranden ein einjähriges Praktikum. „(Wir) arbeiteten tatsächlich an ihrer Produktgruppe und entwarfen die Chips für dieses Projekt“, sagte Maharry. „Ihre Technologie ist für diese Anwendung ideal geeignet, da das Schlüsselmerkmal für diesen kohärenten Ansatz der lokale Oszillator am Empfänger ist und eine der großen Errungenschaften von Intel in den letzten Jahren darin bestand, Indiumphosphid-Laser direkt auf Siliziumchips zu integrieren, sodass die Der vollständige Empfänger-PIC kann als eine Einheit hergestellt werden. Wir konnten mit den Ingenieuren von Intel zusammenarbeiten, um diese kohärenten Sender- und Empfängerchips zu entwerfen und zu bauen.“

„Das Modell, Praktikanten zu entsenden, war einzigartig“, sagte Schow. „Intel-Technologie ist proprietär und wird der Außenwelt noch nicht angeboten. Um so eng zusammenarbeiten zu können, mussten unsere Studenten also Intel-Mitarbeiter werden. Es gab Aaron und anderen die Gelegenheit, an einzigartiger Technologie zu arbeiten und diese zu entwerfen, eine Erfahrung, die man auf keine andere Weise machen kann.“

„Es war großartig und irgendwie überwältigend“, sagte Maharry. „Wir arbeiteten an einem UCSB-Projekt, konnten aber mit den anderen Gruppen interagieren, die Intel in seiner Silicon Photonics Product Division hat. Es war unglaublich, auf ihr Fachwissen zurückgreifen zu können. „Wir haben die gleichen Grundbausteine wie die PICs und EICs genommen – im Wesentlichen den Sender und den Empfänger – und alle vier dieser Blöcke entworfen, gebaut, optimiert, getestet und gemessen, um diese Verbindung herzustellen.“

Der Sender verfügt über zwei Chips – einen elektronischen Treiber und einen photonischen Senderchip. Der Empfänger verfügt außerdem über zwei Chips – einen photonischen Empfänger und einen elektronischen Empfängerchip. Somit umfasst der Link insgesamt vier Komponenten.

Ein weiterer technischer Aspekt war die Verwendung eines anderen Wellenlängenbandes. Bisher wurden kohärente Verbindungen für die Verwendung von Licht in der Nähe der Wellenlänge von 1550 nm entwickelt, die den geringsten Verlust aufweist, wenn sich das Licht durch die Glasfaser bewegt. „Aber im Rahmen unserer Arbeit haben wir die ersten kohärenten Verbindungen aufgebaut, die 1310-nm-Licht verwenden“, sagte Maharry. „Da wir kohärente Verbindungen für kurze Reichweiten neu entwerfen, ist die Verwendung von 1550-nm-Licht zur Gewährleistung eines geringen Faserverlusts nicht mehr kritisch – und 1310-nm-Licht minimiert Verzerrungen durch chromatische Dispersion.

„Wir bewegen uns von der direkten Detektion, bei der nur die Intensität des Lichts moduliert wird, zur kohärenten Detektion, bei der sowohl Amplitude als auch Phase moduliert werden. Im ersten Fall könnten Sie nur einen einzelnen 0- oder 1-Übergang im Licht kodieren, aber durch kohärente Modulation und Erkennung können Sie mehr als nur dieses eine Bit in diesem Teil des optischen Signals kodieren. Das Ergebnis war für uns eine Vervierfachung der Datenrate.“

Shelly LeachmanRedaktionsleiter (805) [email protected]

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