Hintergrund
Fortschritte in der CPU-Leistung haben die Datenverarbeitungskapazität von Servern deutlich erhöht. Dank verbesserter Virtualisierungstechnologien, die es einer einzelnen CPU ermöglichen, mehrere Prozesse auszuführen, hat sich das Datenvolumen, das zwischen CPUs und zwischen CPUs und Peripheriegeräten übertragen wird, drastisch erhöht. Während heutige Server optische Verbindungen mit Datenraten von 10 Gbit/s pro Kanal nutzen, werden zukünftig Server mit 25 Gbit/s erwartet. Wie Abbildung 1 zeigt, sollen optische Verbindungen künftig nicht nur für die Datenkommunikation zwischen Servern, sondern auch zwischen den einzelnen Komponenten innerhalb eines Servers eingesetzt werden, da höhere Datenraten mit elektrischen Verbindungen schwer zu realisieren sind.
Die Implementierung optischer Verbindungen in einem Server erfordert einen optischen Transceiver, der elektrische Signale in optische Signale umwandelt. Aktuelle optische Transceiver erreichen Datenraten zwischen 10 und 14 Gbit/s, sodass die Geschwindigkeit optischer Transceiver eine Hürde für die Realisierung von Datenraten von 25 Gbit/s darstellt. Darüber hinaus sind aktuelle optische Transceiver aufgrund ihrer Größe schwierig in der Nähe von CPUs oder anderen Geräten zu platzieren. Dies ist problematisch, da das elektrische Signal, das zwischen dem Gerät und dem optischen Transceiver übertragen wird, Verluste in der Übertragungsleitung und Interferenzen erfährt, die mit der Länge des elektrischen Stromkreises zunehmen. Dies verschlechtert die Signalqualität und erschwert die Steigerung der Übertragungsgeschwindigkeit.
Neuer Transceiver entwickeltUm einen kompakten optischen Transceiver mit der für die Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit und Bandbreite erforderlichen Verbindungsoptik herzustellen, hat Fujitsu Laboratories einen optoelektrischen Wandler entwickelt, der elektrische (optische) Signale durch ein optisches Gerät in optische (elektrische) Signale umwandelt.
Technische Details.
1. Hochgeschwindigkeitsschaltungstechnologie
Fujitsu Laboratories konnte die Übertragungsgeschwindigkeit durch verbesserte Schaltungstechnik in den integrierten Schaltkreisen (ICs) optischer Geräte steigern. Dadurch konnten die optischen Signalverläufe selbst in kostengünstigen optischen Geräten mit unzureichend schnellen Reaktionszeiten deutlich steiler gestaltet werden. Zudem wurde eine Schaltungstechnik implementiert, die Mehrfachreflexionen unterdrückt, welche die elektrische Signalform beeinträchtigen. Dies führte zu einer Steigerung der Datenrate von derzeit 10–14 Gbit/s auf 25 Gbit/s pro Kanal.
2. Kompakte optische Kopplungstechnologie
Herkömmlicherweise erforderte die effiziente optische Signalübertragung zwischen optoelektrischen Wandlern und Glasfasern (optische Kopplung) eine optische Kopplungseinheit, bestehend aus einer Linsenkomponente und einem optischen Stecker (Abbildung 3). Die Linsenkomponente war jedoch groß und teuer. Das neue Design umfasst einen optoelektrischen Wandler mit einer flexiblen Leiterplatte, die mit optischen Bauelementen und integrierten Schaltkreisen ausgestattet ist und so einen kompakten optischen Transceiver ermöglicht. Darüber hinaus hat Fujitsu Laboratories eine kostengünstige, folienartige Linsenstruktur entwickelt, die auf der Unterseite der flexiblen Leiterplatte angebracht wird und die genannten Einschränkungen überwindet.
Diese Technologien wurden in einem Prototyp eines optoelektrischen 4-Kanal-Wandlers mit 25 Gbit/s eingesetzt. Die Linsenkomponente misst 22 mm × 9 mm × 0,86 mm (einschließlich der integrierten elektrischen und optischen Wellenleiterkomponenten) und ist damit weniger als ein Zehntel so groß wie herkömmliche Linsenkomponenten in optoelektrischen Wandlern. Die Gesamtgröße des Wandlers wurde auf ein Drittel reduziert. Dank dieser kompakten Bauform entwickelten die Fujitsu Laboratories optische Transceiver, bei denen die Prototyp-Wandler beidseitig montiert sind. Sowohl Sender als auch Empfänger nutzen acht Kanäle und weisen eine kompakte Größe von 47,8 mm × 16 mm × 21,6 mm auf. Dadurch benötigen benachbarte Bauteile, wie beispielsweise die CPU auf der Leiterplatte, weniger Platz.
Ergebnisse
Diese Technologien erreichen 25 Gbit/s pro Kanal auf kompakte und kostengünstige Weise – die für Verbindungen der nächsten Generation erforderliche Kapazität. Dies ebnet den Weg für Hochgeschwindigkeits- und Breitbandkommunikation in Servern.
Pläne für die Zukunft
Die Fujitsu Laboratories arbeiten weiterhin an der Forschung und Entwicklung dieser Technologie, um sie in Hochleistungsservern einzusetzen und innerhalb von drei Jahren praktisch in Servern nutzbar zu machen. Darüber hinaus plant das Unternehmen, die Technologie breiter anzuwenden, um die Leistung von Computer- und Kommunikationsgeräten zu verbessern.
