Schnellstmögliche Datenübertragung dank Photonics

Mit Lichtgeschwindigkeit zwischen Prozessor und Storage unterwegs

| Autor / Redakteur: Rudi Kulzer / Rainer Graefen

Der Umstieg für den Datentransport über Lichtleiter in der Server- und Storageindustrie ist auf Grund der steigenden Datenmassen und der niedrigeren Latenzzeiten wohl nicht mehr aufzuhalten.
Der Umstieg für den Datentransport über Lichtleiter in der Server- und Storageindustrie ist auf Grund der steigenden Datenmassen und der niedrigeren Latenzzeiten wohl nicht mehr aufzuhalten. (Bild: 3DKombinat_Fotolia_71926879)

Branchenprimus Intel setzt derzeit unter anderem auf Prozessoren, die neben der steigenden Rechenleistung noch flotter als bisher mit der Außenwelt kommunizieren können. Doch auch andere namhafte Konzerne der IT-Branche beschäftigen sich intensiv mit dem Thema Licht.

Der Weltmarktführer der Halbleiterindustrie steht unter Druck. Seine Jahrzehnte lange Dominanz bei Prozessoren für Computersysteme, vor allem für Personal Computer, genügt nicht mehr, um die Führungsposition zu behalten. Der in Santa Clara, Silicon Valley, ansässige Konzern muss daher für die IT-Welt neue Wege aufzeichnen, will er nicht in den Hintergrund geraten.

Im Rahmen dieser Herausforderung zeigte Intel-Managerin Diane M. Bryant auf dem Intel-Entwicklertreffen (IDF) in San Francisco zwei neue optische Transceiver, die für schnelle Datenübertragung in Lichtgeschwindigkeit aus dem Prozessor heraus sorgen sollen. Das sind nach Einschätzung von Marktbeobachtern wohl die ersten Angebote, die als wirkliche Produkte auf dem Markt kommen.

Langer Weg bis zur Produktreife

Die Vorstellung beider Transceiver von Intel kommt nicht aus heiterem Himmel, sondern ist ein Produkt einer langjährigen Entwicklung. Der Fachausdruck dieses Aufgabenfeldes wird Silicon Photonics genannt. Das Thema gibt es schon seit mehr als zehn Jahren und wird von der Branche mit großem Interesse verfolgt. Es gab aber bisher noch keine Produktankündigungen. Das könnte sich nach der jüngsten Intel-Präsentation ändern haben.

Ein Blick zurück: Die Wissenschaft sucht schon seit längerem einen Chiptyp, der früher als Arbeitsname mit photonischer Netzwerke-on-Chip (NoC) bezeichnet wurde. Es geht um eine schnelle Verbindung direkt in die leistungsstarken Rechner-CPUs. Dabei soll ein auf dem Chip integrierter Laser - praktisch in Lichtgeschwindigkeit - für schnelle Datenübertragung ohne Medienbrüche sorgen. Die Anforderungen an ein solches photonisches Verbindungsnetz sind höhere Bandbreite und niedrigere Verzögerungen (Latenzen) bei deutlich geringerer Verlustleistung.

Angesichts dieser Herausforderung wurde in den letzten Jahren Zug um Zug die Photonics genannte Technik auf Silizium gebracht. Sie soll kostengünstigeren Lösungen ermöglichen. Intel hat auf den Entwicklerforen regelmäßig in den jeweiligen Keynotes darüber berichtet.

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Mit Silicon Photonics ist somit ein Bereich entstanden, der ein weitreichendes Potenzial in sich trägt, wird doch Licht als Übertragungsmedium einzusetzen für viele Anwendungsfelder gesucht. Dazu gehören biologische und chemische Sensorik, Navigation, Radiofrequenzerkennung und Kommunikation. In vielen Anwendungen ist es inzwischen dringlich die Arbeiten mit großen Datenmengen zu beschleunigen, um die Ergebnisse in quasi Echtzeit zum Anwender zu bringen.

Intels neue Photonics Transceiver

Nun ist mit den in San Francisco vorgestellten Transceivern offensichtlich ein Produkt herangereift, wenn auch mit ziemlicher Verspätung. Die von Diane Bryant gezeigten Transceiver mit On-Chip-Laser sollten eigentlich schon Anfang 2015 fertig sein.

Nach Angaben von Intel kommunizieren die beiden gezeigten Versionen mit 100 GBit/s pro Richtung bei zwei Glasfasersträngen (lanes). Später soll dann noch eine Version mit 400 GBit/s (QSFP28) hinzukommen, die mit jeweils vier Glasfasern arbeiten.

Die beiden Produkte sind nach Angaben von Intel ab sofort in größeren Produktionsmengen lieferbar:

  • Intel Silicon Photonics 100G CWDM4 (Coarse Wavelength Division Multiplexing 4-lane ) QSFP28 Optical Transceiver
  • Intel Silicon Photonics 100G PSM4 (Parallel Single Mode fiber 4-lane) QSFP28 Optical Transceiver unterstützt bei hoher Bandbreite 100 GbE optische Verbindungen über eine single-mode Glasfaser.

Beide Transceiver sind Komponenten, die in einem kleinen Formfaktor für hohe Übertragungsgeschwindigkeiten bei niedrigem Energieverbrauch sorgen sollen. Zielanwendungen sind optische Verbindungen zur Datenkommunikation, wie man sie in größeren Clouds und Rechenzentren von Unternehmen findet. Zusätzlich können sie aber auch bei Anwendungen der Telekom-Anbieter eingesetzt werden.

Was ist Silicon Photonics?

Silicon Photonics verbindet einen Prozessor Chip (Integrierter Schaltungkreis) und den Halbleiter-Laser. Dadurch ist es möglich, dass Daten über das Medium Licht gesendet und empfangen werden. Dieses Zusammenfließen von zwei der wichtigsten IT-Erfindungen des 20. Jahrhunderts macht es möglich, dass eine sehr schnelle Datenübertragung über größere Entfernungen als bei herkömmlichen Elektronik erfolgen kann. Das ist in vielen heutigen Anwendungen gefragt

Beseitigt Engstellen im Netzwerk

Ein zusätzliches Ziel des Einsatzes von Silicon Photonics ist es, die Betriebskosten reduzieren und die Prozessleistung von Rechenzentrumsarchitekturen generell deutlich zu verbessern. Dies geschieht vor allem durch Aktivieren hoher Bandbreiten, Software-konfigurierbaren Zugang zu den Daten sowie deren Speicherung.

Software definiert Infrastrukturen (SDI) sind ein Schlüssel dafür, die Hardware- und Software-Ressourcen in so strukturierten Rechenzentren zu entkoppeln. Dabei ist es nötig, optische Verbindungstechniken wie etwa Smart-NICs, FPGAs und Intels Omni-Path Architektur in den Strukturen interoperabel zuzulassen.

(( Kastenende ))

"Seien Sie nicht erstaunt, wenn Sie in nächster Zeit photonische Geräte auf dem Markt oder in großen Anlagen eingesetzt sehen", sagt David Calhoun, ein promovierter Wissenschaftler des Columbia University Lightwave Research Laboratory. Der Wissenschaftler erforscht schon seit längerem die Integration von photonischen Bauelementen in verschiedenen Einsatzgebieten, von Rechenzentren bis zu Datenbanken, aber auch im Alltag der Verbraucher.

Rudi Kulzer
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