Reti in fibra ottica: le ultime innovazioni aprono ai data center del futuro

I data center del futuro esigono reti in fibra ottica capaci di fornire larghezza di banda elevata, alte prestazioni e basso consumo energetico. Ma facciamo un passo indietro. 

Nell’ultimo decennio, l’aumento di potenza di calcolo per singola CPU ha avuto un rallentamento e, per continuare a incrementare le prestazioni dei sistemi, si è intrapresa la strada della parallelizzazione delle risorse di calcolo. Nello stesso periodo,tuttavia,lacrescita della capacità di larghezzadibanda di interconnessione non è stata in grado di eguagliar il ritmo dell’aument della potenza di elaborazione grezza ottenuta attraverso il parallelismo.

Tutto ciò mentre le richieste computazionali, alimentate dalle tecniche di analisi dei dati che sfruttano machine e deep learning, continuano a crescere. Il risultato è stato un sovraccarico dei data center, che faticano a far fronte alle crescenti richieste prestazionali e di dinamicità richieste dal business odierno. 

Uno dei problemi è che l’approccio attuale dei data center, basato su configurazioni statiche delle risorse (calcolo, memoria, archiviazione), spesso comporta inefficienze, con alcune risorse che restano inattive mentre altre sono sottoutilizzate, e un forte impatto anche sui costi e sull’efficienza energetica. 

Inoltre, la richiesta di maggiori prestazioni computazionali dipende sempre più dalla capacità della rete di interconnessione di fornire larghezza di banda molto elevata con un’efficiente dissipazione di potenza.  

Il data center del futuro è disaggregato 

Una delle principali forze trainanti nel trasformare l’architettura del data center per affrontare queste nuove sfide è di indirizzarsi verso la disaggregazione delle risorse

Un primo passo evolutivo si è avuto con la disaggregazione dello storage, portato fuori dal server, messo in rete all’interno del data center e munito di funzionalità di ottimizzazione

Il prossimo passo prevede la disaggregazione dei server, prevedendo di organizzare i componenti di elaborazione e memoria in pool omogenei di risorse che operano in sinergia sulla rete di interconnessione del data center, con la possibilità che le risorse siano configurate in modo adattivo e aggiornate in modo indipendente

Il processo di disaggregazione dei server promette di risolvere problemi di inefficienza e consumo, ma richiede che la tecnologia di interconnessione sottostante che lega i nodi di memoria e di archiviazione fornisca adeguate caratteristiche di larghezza di banda e latenza

Di fatto, il tema prestazionale si sposta dai sistemi che compongono il data center alla rete di interconnessione sottostante: basti pensare all’incremento del numero di indirizzi di rete necessari per l’aggiunta di nuovi host come conseguenza della disaggregazione. 

Componenti per reti in fibra ottica di nuova generazione 

Un data center disaggregato richiede, pertanto, un “fabric di interconnessione in grado di supportare il traffico aggiuntivo generato dalla disaggregazione. La scelta obbligata per realizzare una rete di interconnessione capace di supportare in modo dinamico le nuove richieste elaborative è di utilizzare componenti di rete (switch, router) di tipo ottico

Negli ultimi anni sono stati fatti notevoli sforzi per predisporre switch e router ottici ad alte prestazioni. La realizzazione di singoli apparati non è, però, esente da limiti tecnici e di costo. Per esempio, gli amplificatori ottici a semiconduttore possono essere una soluzione ideale per le esigenze di riconfigurazione ad alta velocità e per superare le perdite negli switch ma, se utilizzati come dispositivi discreti, richiedono troppa potenza. Anche le architetture che utilizzano switch ottici MEMS sono state rese disponibili commercialmente, ma restano penalizzate da tempi di riconfigurazione lenti.

Il cambiamento nella tecnologia switching necessario per chiudere il cerchio e rispondere a queste nuove sfide è la fotonica del silicio

Il ruolo della fotonica del silicio nell’abilitare le nuove reti in fibra ottica 

La fotonica del silicio permette di sfruttare le consolidate tecniche di produzione utilizzate nella costrizione di CMOS per realizzare sistemi ottici integrati, a grandi volumi, bassi costi e compatibili con i sistemi della microelettronica

Questa tecnologia consente di creare sistemi integrati che forniscono interconnessioni a elevata larghezza di banda, bassa latenza e con basso consumo energetico aprendo la strada a una nuova generazione di architetture fotoniche adatte a supportare sistemi ad altissime scalabilità e prestazioni

La capacità dei sistemi basati sulla fotonica del silicio di realizzare interconnessionisudistanzevariabili dall’ordine di grandezza dei millimetri a quello dei metri è la chiave di volta per realizzare componenti di reti in fibra ottica integrati e a basso costo all’interno del data center, abilitando un cambio di paradigma architetturale basato su modelli flessibili e disaggregati.

Per esempio, la fotonica del silicio abilita la realizzazione di meccanismi di switching basati sulla modulazione di fase all’interno di sistemi interferometrici (interferometri di Mach-Zehnder) e sull’accoppiamento tra diversi strati di guida d’onda tramite MEMS. Switch ottici con grandi densità di porte possono essere realizzati semplicemente assemblando tra loro molteplici celle switch elementari. 

Inoltre, l’impiego della fotonica del silicio nei router ottici garantisce non solo prestazioni elevate, ma anche la possibilità di realizzare sistemi Delay Lines a bassa perdita (che permettono di controllare il ritardo temporale di un segnale ottico), essenziali per realizzare switch di rete TSI (Time-Slot Interchange).

Saranno, pertanto, le nuove reti in fibra ottica, abilitate dall’utilizzo della fotonica del silicio, ad aprire la strada a nuovi modelli architetturali del data center, fornendo la larghezza di banda, la latenza, le prestazioni e il basso consumo energetico richiesti per la creazione di nuove architetture di data center disaggregati. 

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