Angesichts dieses erwarteten Wachstums arbeiten führende Unternehmen, Branchenverbände und Fachorganisationen aktiv daran, Spezifikationen und Produkte für den prognostizierten Kapazitätsbedarf bereitzustellen. Mehrere Branchenspezifikationen wurden entwickelt, um Einheitlichkeit, Kompatibilität und Netzwerkfunktionalität für Hardware-, Signal- und Softwarekommunikation zu gewährleisten. Diese Branchenstandards umfassen unter anderem solche für Rechenzentrums-Verbindungstechnologien wie InfiniBand, Fibre Channel, Ethernet, Serial Attached SCSI (SAS) und Serial ATA (SATA). Organisationen wie die InfiniBand Trade Association und verschiedene IEEE 802.3-Unterkomitees finalisieren derzeit Spezifikationen, die den Bedarf der Branche an Systemen mit Bandbreiten von 40 Gbit/s und 100 Gbit/s sowie entsprechenden I/O-Verbindungen decken. Um diese Trends weiter zu untermauern, wurde ein Fahrplan veröffentlicht, der auf Bandbreiten deutlich über 100 Gbit/s im 100-Gbit/s-Bereich hinweist. Siehe Abbildung 2.
Die Erfüllung dieser Bandbreitenanforderungen ist nicht immer einfach, da Dienstanbieter die Kundenerwartungen an eine zeitnahe, zuverlässige und kostengünstige Bereitstellung von Diensten mit Energie- und Gerätekosten, Geräteauslastung sowie der Gesamteffizienz und Produktivität von Rechenzentren in Einklang bringen müssen. Es ist klar, dass diese Herausforderungen weiterhin praktisch alle Rechenzentren und Kommunikationsgeräteplattformen betreffen werden, seien es Switches, Router, Server oder Speichersysteme.
Dem Wachstum und der zunehmenden Verbreitung von 10-Gbit/s-Serververbindungen in den nächsten fünf bis sechs Jahren wird ab etwa 2015 ein ähnlicher Wachstumszyklus bei 40-Gbit/s-Verbindungen folgen. Um diese Server mit dem Netzwerk zu verbinden, erwarten Branchenanalysten für Ethernet-Switches eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 143 % von 2008 bis 2012 und für die Nachfrage nach Hochleistungsservern mit 10G-Ports eine CAGR von 31 % im gleichen Zeitraum.
Um das Wachstum dieses Sektors zu unterstützen, werden neue und sich weiterentwickelnde I/O-Schnittstellen- und Kabelverbindungsspezifikationen wie SFP+, QSFP+, CXP, mini-SAS HD und CFP die für dieses signifikante Wachstum erforderlichen Hochgeschwindigkeits-Kabelverbindungen für externe und interne Anwendungen bereitstellen.
Welche Auswirkungen hat diese Produktentwicklung und der technologische Fortschritt auf die Anbieter aktueller kupferbasierter I/O-Verbindungslösungen? Kurz gesagt: Die Herstellung von Kabelkonfektionen für diese Systeme ist nicht mehr so einfach wie früher. Jeder wettbewerbsfähige Kabelkonfektionierer muss verschiedene Herausforderungen bewältigen, um seinen Kunden eine kompatible und qualitativ hochwertige Verbindung zu gewährleisten.
System- und Geräteentwicklung:
System- und Geräteentwickler stehen vor zahlreichen Herausforderungen bei der Anpassung an den steigenden Bandbreitenbedarf. Technologien wie Mehrkernprozessoren, Virtualisierung, Konsolidierung, höhere Hostbusgeschwindigkeiten und verbesserte Speicherleistung haben zwar die verfügbare Kapazität für Systemdesigns erhöht, belasten aber gleichzeitig Bandbreite, Stromverbrauch sowie Energie- und Temperaturmanagement. Die Migration zu höheren Geschwindigkeiten bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer ausreichenden Signalintegrität erschwert zunehmend die Verwendung gängiger und kostengünstiger Leiterplattenmaterialien wie FR-4 und Kabel mit üblicher Isolierung sowie die Anpassung der Fertigungsprozesse.
Nehmen wir eine Google-Suche als Beispiel für die Herausforderung des Energiemanagements. Mit den aktuellen Chip-Leistungen und -Technologien benötigt eine Google-Suche schätzungsweise 3 Watt. Für eine angemessene Kühlung und Wärmeableitung werden jedoch weitere 3 Watt benötigt. Dieser Energiebedarf veranlasst Entwickler, energieeffiziente Techniken wie die Port-Energieverwaltung einzusetzen, die den Port automatisch in den Standby-Modus versetzt, wenn er nicht verwendet wird. Ziel ist es, den Stromverbrauch durch ein effizienteres Energiemanagement zu reduzieren. Dies ist nur ein Beispiel für die vielen und mitunter widersprüchlichen Aspekte, die Systementwickler und Anwender bei der Entwicklung von Geräten der nächsten Generation berücksichtigen müssen.
Signalintegrität bei höheren Geschwindigkeiten und Stromverbrauch sind nicht die einzigen Aspekte, die Entwickler und Anwender berücksichtigen müssen. Weitere Faktoren wie ein adäquates Wärmemanagement und eine effiziente Wärmeableitung, ausreichende Luftzirkulation, Kabelführung und EMV/EMI-Schutz, Portdichte sowie die Installation, Demontage und der Anschluss von Kabelbäumen müssen ebenfalls sorgfältig beachtet werden.
Gerätehersteller und Anwender suchen nach flexiblen und anpassungsfähigen Verbindungsystemen, die einfach zu installieren und zu warten sind und eine Leistungskapazität bieten, die mit zukünftigen Systemerweiterungen kompatibel ist. Die Mindestanforderung ist die Beibehaltung der aktuellen Portdichte, jedoch wird eine Erhöhung der I/O-Port-Bandbreitendichte am Rand einer Linecard bevorzugt, um eine höhere Kapazität zu erzielen. Ziel ist es, jeden verfügbaren Systemport je nach Installationsumgebung mit Glasfaser- oder Kupferkabeln frei gestalten oder konfigurieren zu können – mit minimalem Aufwand und geringen Kosten.
All diese Anforderungen haben die Notwendigkeit einer engeren Zusammenarbeit zwischen Systementwicklern und Anbietern von Hochgeschwindigkeits-I/O-Systemen verdeutlicht. In der Vergangenheit kooperierten diese beiden Disziplinen nicht intensiv, doch mit dem Aufkommen höherer Signalgeschwindigkeiten wurde der Bedarf an verstärkter Zusammenarbeit zwischen System- und I/O-Systementwicklern deutlich, um die oben genannten Ziele zu erreichen. Dies erfordert zudem, dass beide Parteien die spezifischen funktionalen und gestalterischen Fähigkeiten, die sie jeweils zum Gesamtsystemdesign beitragen können, besser verstehen und wertschätzen, ohne dabei übermäßige Fertigungskosten zu verursachen.
Diese neue Dynamik zeigt sich am besten in der Zusammenarbeit zwischen Normungsgremien, Ausschüssen und Unterausschüssen der Branche sowie zwischen Ad-hoc-Arbeitsgruppen wie dem Small Form Factor (SFF)-Ausschuss, in dem ein reger Austausch und eine intensive Zusammenarbeit stattfinden. Diese Interaktion ist für Gerätehersteller, die ihren Kunden letztendlich das liefern, was diese benötigen, unerlässlich geworden. Der I/O-Systemanbieter muss dem Geräteentwickler größtmögliche Flexibilität und Funktionalität bieten.
I/O-Systemlösungen:
Die gute Nachricht ist, dass die entwickelten I/O-Systeme viele Anforderungen erfüllen. Kupfer- und glasfaserbasierte XFP- und SFP-I/O-Systeme sind bereits seit einiger Zeit auf dem Markt. Sie haben maßgeblich dazu beigetragen, die Bandbreite von I/O-Ports auf 5 bis über 6 Gbit/s pro Kanal zu steigern. Diese Systeme sind zudem kompakter, wodurch die benötigte Längskontaktierung auf der Leiterplatte minimiert wird. Das SFP-System hat die Kontaktierung und das Moduldesign im Vergleich zu früheren Systemen wie GBIC und XENPAK deutlich reduziert.
Ein Bedarf, den das SFP-System nicht decken konnte, war die aktuell gefragte Kanalkapazität von 10 Gbit/s. Dies führte zur Entwicklung des SFP+-Systems, das eine Kanalkapazität von 10 Gbit/s unterstützt. Obwohl SFP- und SFP+-Systeme denselben Platz auf der Platine, dieselben Anschlüsse und Laufwerke nutzen, unterstützen nur SFP+-Systeme eine Kanalbandbreite von 10 Gbit/s.
Die Entwicklung von I/O-Produkten schreitet mit den jüngsten Entwicklungen von Industriestandard-Schnittstellen wie QSFP+, Mini-SAS/SATA, Mini-SAS HD, CXP und CFP weiter voran.
Das QSFP+-System wurde entwickelt, um den Bedarf an einem I/O-System mit einer Gesamtbandbreite von 40 Gbit/s pro Port zu decken. Das CXP-System hingegen wird für Systeme mit einer Gesamtbandbreite von 100 bis 120 Gbit/s pro Port entwickelt. Beide Systeme werden entwickelt, angeboten und mit verschiedenen Verbindungstechnologien wie InfiniBand und Ethernet kompatibel gemacht und finden Anwendung in mehreren Branchenspezifikationen. Sie bieten außerdem Einheiten und Steckverbinder, die mit einer passiven Kupferkabellösung (typischerweise für relativ kurze Kabel ab 5 bis 7 Metern, abhängig von den Akzeptanzkriterien), einer aktiven, entzerrten Kupferkabellösung (bis zu 15 Metern, abhängig von den Akzeptanzkriterien), einem steckbaren optischen Transceiver-Modul mit optischem I/O-Anschluss auf der Rückseite oder einer aktiven optischen Kabelbaugruppe (AOC) mit Glasfaseranschluss im hinteren Kabelgehäuse kompatibel sind. Dieser Architekturansatz ermöglicht Systeminstallateuren und Anwendern die flexible Definition und Anpassung von Portkonfigurationen und -funktionen nach Bedarf.
Das Anfang 2009 als MSA (Multi-Source Agreement) angekündigte CFP-System verfolgt einen ähnlichen Ansatz wie die CXP-Schnittstelle und unterstützt eine Bandbreite von 100 Gbit/s. In der aktuellen Konfiguration ist der Transceiver im CFP-System stets im Modul integriert. Zwischen Modul und Geräteanschluss wird ein standardmäßiger zweiteiliger Steckverbinder verwendet. Die I/O-Seite des Moduls bietet verschiedene Portkonfigurationen (SFP+, QSFP+, CXP oder Kombinationen aus Simplex- oder Multi-Glasfaser-Schnittstellen), die an die gewünschte Datenverteilung und I/O-Schnittstelle des Kunden angepasst werden können. Im Gegensatz zum kompakteren CXP-Modul ist das größere CFP-Transceiver-Modul für Singlemode-Glasfaseranwendungen mit größerer Reichweite optimiert.
Der Bedarf an Bandbreite und Signalübertragungsgeschwindigkeiten wird durch soziale Netzwerke und intensive Videonutzung angetrieben, die in Zukunft voraussichtlich deutlich zunehmen werden. Um diese Marktanforderungen adäquat zu erfüllen, ist eine wesentlich engere Zusammenarbeit zwischen Geräteentwicklern, Kabelherstellern, Komponentenlieferanten und Anbietern von Hochgeschwindigkeits-I/O-Systemen erforderlich. Diese Zusammenarbeit wird sich in Produkten mit höherer Flexibilität und Portdichte in den Portkonfigurationen widerspiegeln. Angesichts der erweiterten Funktionalität und der höheren Signalgeschwindigkeiten stellt die Herstellung dieser Kabelkonfektionen nun eine deutlich größere Herausforderung dar.
Qualitätsaspekte bei Rohdrähten, Leiterplattendesign sowie Kabelmanagement, Abisolieren, Anschließen und Zugentlastung müssen im Zuge der Weiterentwicklung dieser Systeme und Komponenten ordnungsgemäß verwaltet und kontrolliert werden.
Quellen:
Cisco Visual Connectivity Index: Prognose und Methodik, 2007–2012, Pressemitteilung von Cisco vom 16. Juni 2008.
Roadmap der Infiniband Trade Association, 2005–2011+.
Autor: Jim David, Globaler Produktmanager für Hochgeschwindigkeits-Kabelgruppen und -Steckverbinder, FCI
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