Datacenters zijn het centrale punt van veel, zo niet de meeste, informatiesystemen tegenwoordig, maar de massa's draden die de servers met elkaar verbinden en hoog op racks zijn opgestapeld, beginnen te lijken op de verwarde ramp met de kerstboomverlichting van vorig jaar. Nu stelt een team van ingenieurs voor om de meeste draden te verwijderen en infrarood-vrije-ruimte-optica voor communicatie te vervangen.

"Wij en anderen probeerden radiofrequentiesignalering, maar de stralen worden breed over korte afstanden, " zei Mohsen Kavehrad, W.L. Weiss Leerstoel Hoogleraar Elektrotechniek, Penn State. "De gebouwen kunnen anderhalve kilometer lang zijn en elk rack moet kunnen communiceren."

In een experiment uitgevoerd door Microsoft-ingenieurs, onderzoekers ontdekten dat radiofrequentiesignalering resulteerde in hoge interferentie, beperkte actieve links en beperkte doorvoer:de hoeveelheid gegevens die door een systeem kan gaan.

"We gebruiken een optische link in de vrije ruimte, " Kavehrad vertelde de aanwezigen vandaag (31 januari) op ​​Photonics West 2017 in San Francisco. "Het gebruikt een zeer goedkope lens, we krijgen een zeer smalle infraroodstraal zonder interferentie en geen limiet aan het aantal verbindingen met een hoge doorvoer."

Het Free-space optische Inter-Rack nEtwork met hoge FLexibilitY-of Firefly-architectuur is een gezamenlijk project van Penn State, Stony Brook University en Carnegie Mellon University. Het zou infraroodlasers en ontvangers gebruiken die bovenop datacenterrekken zijn gemonteerd om informatie te verzenden. De lasermodules zijn snel herconfigureerbaar om een ​​doel op elk rek te verkrijgen. Menselijke tussenkomst is minimaal omdat de rekken meer dan 6,5 voet hoog zijn, zodat de meeste werknemers tussen de rijen rekken kunnen lopen zonder de laserstralen te breken.

Volgens Kavehrad, datacenters kunnen plaats bieden aan 400, 000 servers op racks die een ruimte van een kilometer lang vullen. Datacenters zijn doorgaans gebouwd voor piekverkeer, wat betekent dat meestal ongeveer 30 procent van de servers offline is. Echter, omdat ze nog steeds ze blijven warmte creëren en hebben koeling nodig. Kavehrad schat dat tegen 2020, datacenters zullen in totaal 140 miljard kilowatt elektriciteit per uur gebruiken, of het equivalent van $ 13 miljard aan elektriciteit in het huidige tempo - de output van 50 elektriciteitscentrales.

Hoewel glasvezelbekabeling en energieverbruik voor inactieve servers problemen zijn, doorvoer is kritischer. Wanneer honderden kabels samensmelten tot een paar, de knelpunten in de dataoverdracht die het gevolg zijn, verminderen de snelheid waarmee het datacenter informatie kan aanleveren. Een flexibele, configureerbaar systeem kan knelpunten en zelfs het aantal benodigde servers verminderen.

De onderzoekers hebben de Firefly-architectuur ontworpen, maar het is nog niet uitgevoerd. Ze hebben een vereenvoudigde, proof-of-concept-systeem om aan te tonen dat hun infraroodlaser het signaal kan dragen en de ontvanger kan richten. Ze verzenden gemultiplexte golflengteverdeling - meerdere signalen verzonden door verschillende gekleurde lichten - bidirectionele gegevensstromen die elk gegevens bevatten met een transmissiesnelheid van 10 Gigabit per seconde van een Bit Error Rate (BER) -testset. BER-testen bepalen het aantal fouten in een signaal veroorzaakt door interferentie, lawaai, vervormings- of synchronisatieproblemen.

De proof of concept-opstelling heeft de bidirectionele signaalgolflengteverdeling gemultiplext met een eenrichtingskabeltelevisiesignaal. De totale datastroom gaat van glasvezelkabel naar de infraroodlaser, door de kamer naar de ontvanger en toont de resultaten op een tv en de BER-testset. Een hand die de laserstraal breekt, schakelt het systeem uit, maar wanneer de hand wordt verwijderd, het signaal wordt snel heroverd.

Het systeem maakt gebruik van MEM's — micro-elektromechanische systemen — met kleine spiegels voor snel richten en herconfigureren, zei Kavehrad. Deze MEM's gebruiken kleine hoeveelheden elektriciteit uit vier richtingen om de spiegel die op de ontvanger is gericht te verplaatsen. De beweging van de spiegels is zo klein dat het niet waarneembaar is, maar het computerprogramma lokaliseert snel de ontvanger en vernauwt vervolgens het doel om de nauwkeurigheid te bepalen. De laserstraal kan ook snel worden verplaatst om op een andere ontvanger te richten.

Nauwkeurig richten en een signaal verzenden via infraroodlaser zijn slechts twee van de hindernissen die de onderzoekers moeten nemen voordat Firefly operationeel is. Zodra het signaal bij het doel aankomt, moet het naadloos de glasvezelkabel binnenkomen. Het controleren en beheren van het datadistributiesysteem in een niet-bekabelde omgeving is ook belangrijk.

"We proberen iets te bedenken dat herconfigureerbaar is met licht in plaats van millimetergolven (radiofrequentie), " zei Kavehrad. "We moeten overprovisioning vermijden en voldoende capaciteit leveren om de interconnect met minimale switches te doen. We willen helemaal af van de glasvezel."