Empujando los límites del rendimiento DCI óptico a escala web

PATROCINADO: Durante casi 150 años, hemos hecho todo lo posible para que los mensajes salgan a la luz. Desde el fotófono en la década de 1880, que usaba luz para transmitir comunicaciones de voz, hasta los primeros cables de fibra óptica en la década de 1980, la luz ha sido un medio de comunicación de datos rápido y confiable. Cuanto mejor seamos en el envío de mensajes a través de cristales subterráneos y submarinos, más datos querrán utilizar los usuarios. Pero el desafío siempre ha sido cómo aumentar la capacidad para igualar el crecimiento de los datos.

El volumen de información que se entrega, almacena y procesa en la nube continúa expandiéndose, lo que hace que los operadores de centros de datos necesiten encontrar nuevas formas de transferir grandes cantidades de datos digitales dentro y fuera de sus instalaciones lo más rápido posible para evitar cuellos de botella en el rendimiento de aplicaciones y servicios. Los centros de datos ahora necesitan intercambiar muchos terabits de datos cada segundo, y mantenerse al día con esa demanda requiere habilidad, sofisticación y silicio. Esto coloca a las soluciones de interconexión de centros de datos ópticos (DCI) que envían tráfico directamente desde una instalación de alojamiento o centro de datos a otro como quizás la parte más crítica de estas redes de datos globales.

Los requisitos de DCI ópticos se dividen en tres segmentos principales, explica Serge Melle, quien dirige el marketing de productos de redes ópticas en Nokia. El primero es conectar grandes centros de datos o intercambios de Internet dentro de un área metropolitana, convirtiéndolos efectivamente en una instalación virtual más grande. "Entonces también existe la necesidad de interconectar centros de datos entre países e incluso entre continentes". él dice.

Durante años, estos dos fueron los principales casos de uso, pero luego las cosas cambiaron a medida que la computación perimetral evolucionó y los proveedores de la nube trasladaron sus servicios más cerca de los bordes de la red.

"Los operadores de centros de datos están utilizando la infraestructura de otros proveedores, a menudo llamados proveedores de infraestructura neutral o digital, para manejar este desafío", dice Melle. "La reducción de las distancias de backhaul y el procesamiento de datos más cerca del borde aumenta la calidad del servicio, pero aún necesita mover los datos a esas ubicaciones de borde desde los centros de datos remotos para admitir la interconexión metropolitana local".

Las empresas que construyen esas conexiones enfrentan dos desafíos principales, el primero y más importante de los cuales es la capacidad. Ya sea interconectando centros de datos en el metro, a través de largas distancias o acercándolos al borde, todos estos casos de uso necesitan una escalabilidad muy alta.

El segundo es menos obvio: la eficiencia energética. La mayor parte del consumo de energía en los centros de datos proviene de las computadoras que se ejecutan en ellos y del equipo de enfriamiento que los mantiene dentro de los rangos de temperatura aceptables. Pero el consumo de energía de la red también es importante.

"Los operadores de centros de datos tienen un enfoque holístico que cubre todos los aspectos de la infraestructura", explica Melle. "Considerarán todo lo que pueda reducir el presupuesto de energía, incluida la energía por bit necesaria para enviar información entre instalaciones".

Al construir su propia DCI óptica basada en fibra oscura, también es importante considerar el presupuesto de energía en la conexión entre los centros de datos. Tradicionalmente, la luz solo ha viajado un máximo de unos pocos cientos de kilómetros por una fibra óptica. La DCI de larga distancia puede requerir repetidores que conviertan las señales de luz en electricidad y viceversa antes de enviarlas de regreso a su camino.

Reducir la cantidad de repetidores necesarios reduce el presupuesto de energía para esas conexiones de larga distancia y también reduce los puntos de falla a lo largo de la conexión. La situación ideal, dice Melle, sería no tener ningún repetidor.

La industria de las comunicaciones ha dado grandes pasos para aumentar el ancho de banda basado en fibra. Ya pasó de la detección directa, que utiliza la potencia de transmisión para comunicar bits ajustando la amplitud de la luz, a la óptica coherente, que ajusta la fase de la señal luminosa.

Pero todavía hay mucho espacio para mejorar la capacidad de comunicación hasta el límite de Shannon. Nombrado en honor a su inventor, el teórico de la información Claude Shannon, este límite representa la velocidad máxima a la que una señal puede viajar a lo largo de un medio dados dos factores: ancho de banda (el rango de frecuencias disponibles en ese canal) y ruido (interferencia).

El esfuerzo de Nokia para acercar las tasas DCI al límite de Shannon radica en el módulo óptico que convierte las señales eléctricas en luz y las envía por el cable. La compañía ha estado desarrollando las tecnologías para permitir esto, incluido el procesador de señal digital que permite la conversión eléctrica a luz, utilizando su conjunto de chips Photonic Service Engine (PSE).

"Empujar el límite de la velocidad del DSP le brinda estas mejoras de rendimiento", dice Melle. Además de aumentar la velocidad del reloj del chip a través de tamaños de matriz de fabricación más pequeños, la compañía también incluye algunos otros elementos en el diseño de su chip. Uno de ellos se llama Probabilistic Constellation Shaping (PCS), desarrollado por la empresa de investigación y desarrollo de Nokia, Nokia Bell Labs.

"PCS adapta continuamente la modulación de la señal coherente para maximizar la cantidad de bits transmitidos o minimizar la cantidad de espectro que se utiliza", explica Melle. "Esto se remonta al límite de Shannon, que define los bits máximos por espectro que puede transmitir. Con la formación de constelaciones probabilísticas, puede acercarlo al límite de Shannon a lo largo de cualquier distancia".

El otro punto focal de Nokia es la integración, para lo cual debe acercar el DSP que realiza la conversación de eléctrico a óptico a la óptica utilizada para transmitir la señal de luz. Ya no es aceptable conectar DSP y ópticas en una placa de circuito impreso a través de un rastro de cobre, porque genera demasiado ruido eléctrico. "En su lugar, debe integrarlos en un módulo fotónico de varios chips que apila el chip DSP y la fotónica de silicio". añade Melle.

Estas soluciones están resolviendo problemas del mundo real para los clientes. El proveedor de comunicaciones del norte de Europa, GlobalConnect, utilizó la tecnología PSE de Nokia para conectar sus centros de datos a través de miles de kilómetros de cable de fibra óptica. Necesitaba escalar a medida que crecía el mercado de conexiones de alta capacidad y baja latencia. Eligió el PSE-V de quinta generación de Nokia para crear una gran red única que conecta sus infraestructuras ópticas domésticas en diferentes regiones de Europa.

El PSE-V aumentó la velocidad de comunicación entre los puntos de presencia de larga distancia de GlobalConnect de 10 Gbit/s a 400 Gbit/s, aumentando significativamente la capacidad de su red. Desde que actualizó la red, la empresa ha aumentado la velocidad de su DCI basado en los países nórdicos a 600 Gbit/seg.

En febrero de 2023, Nokia lanzó la sexta generación de su conjunto de chips PSE, que, según dice, triplica el rendimiento óptico en términos de la distancia a la que se pueden transmitir los datos sin repetidores. Y Melle reconoce que el conjunto de chips también reduce el consumo de energía en más del 60 por ciento en comparación con el modelo anterior.

La nueva óptica supercoherente PSE-6 funciona a velocidades de hasta 1,2 Tb/s por longitud de onda, y se pueden operar dos longitudes de onda como un solo canal con una tasa de transferencia máxima de 2,4 Gbit/s para transportar hasta tres 800 Gigabit Ethernet ( 800GE) utilizando una sola tarjeta de línea en distancias metropolitanas. El sistema también puede transmitir servicios de 800 GE en una sola longitud de onda en distancias de larga distancia.

Nokia completó recientemente una prueba de campo en la red de GlobalConnect que demostró la transmisión de PSE-6 a 800 Gb/s en 2019 km en una sola longitud de onda. Eso es fundamental, dice Melle, porque antes esta transmisión a 800 Gb/s por longitud de onda estaba limitada a varios cientos de kilómetros. . En la actualidad, los operadores de red se están moviendo a interfaces 800GE en sus redes de enrutamiento IP, ejerciendo presión sobre los módulos ópticos para que admitan de manera eficiente estas nuevas velocidades de interfaz Ethernet.

Nokia ya había desarrollado silicio para admitir estas nuevas velocidades de interfaz de enrutador IP. En 2021, presentó su silicio de procesamiento de red FP5, que enruta el tráfico del proveedor de red con interfaces 800GE para proporcionar un rendimiento de alta velocidad de extremo a extremo.

El PSE también incluye algunas medidas de seguridad diseñadas para proteger los datos del cliente. Uno de ellos es el cifrado AES 256, que utiliza lo que Nokia dice que son claves simétricas 'a prueba cuántica', con la esperanza de proteger a los clientes del "cuantopocalipsis", el punto en el que las computadoras que manipulan qbits ayudarán a descifrar el cifrado asimétrico. Otra característica protege contra ataques físicos al monitorear las conexiones en busca de variaciones en los niveles de potencia óptica. Esto podría detectar cortes realizados en un cable de fibra para espiar las comunicaciones.

A medida que aumenta el apetito por una mayor capacidad entre los centros de datos, la demanda de óptica coherente con mayor escala y mejor rendimiento no muestra signos de desaceleración. El analista de mercado Cignal.ai pronosticó una tasa de crecimiento de esta tecnología de más del 40 por ciento anual durante los próximos cuatro años. La capacidad de exprimir hasta la última gota de capacidad de comunicación de las conexiones de fibra, ya sea metropolitana, basada en el borde o mediante cables submarinos de larga distancia, será fundamental durante mucho tiempo.

Patrocinado por Nokia.

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