Opschakelen naar efficiënte datacenters met fotonica

Hoe kunnen we datacenters zodanig opschalen dat ze meer data kunnen verwerken tegen lagere kosten, terwijl ze minder energie verbruiken? Aan de Technische Universiteit Eindhoven ontwikkelde promovendus Gonzalo Guelbenzu strategieën om dezelfde hoeveelheid gegevens te verwerken met de helft van de energie, in slechts een kwart van de ruimte die er nu voor nodig is.

Door de opkomst van cloud computing diensten zoals Facebook en Google moeten datacenters exponentieel toenemende hoeveelheden informatie verwerken. Om aan de toenemende behoefte aan bandbreedte te kunnen voldoen, voegen ze steeds meer servers toe, wat leidt tot enorme datacenters die momenteel alleen al in Nederland ongeveer 2 Terawattuur per jaar verbruiken – 2 procent van het totale nationale elektriciteitsverbruik. In de groep Electro-Optical Communications van het Institute for Photonic Integration richtte Gonzalo Guelbenzu zich op het verbeteren van het netwerk dat alle servers binnen het datacenter met elkaar verbindt, omdat daar het grootste deel van het dataverkeer plaatsvindt en daar de grootste problemen optreden.

De informatie die datacenters verwerken, reist via snelle optische netwerken van server naar server. Daar transformeren zenderontvangers de optische datasignalen in elektrische signalen, zodat deze kunnen worden opgeslagen, herverdeeld of anderszins worden verwerkt door elektronische schakelaars. Het eerste dat Guelbenzu deed, was deze schakelaars verkleinen: hij demonstreerde een prototype schakelaar die 4 x 128 poorten aankan, met een bandbreedte van 5,12 Terabit per seconde. Daarmee is zijn schakelaar een van de meest compacte ter wereld.

Vier keer zoveel schakelaars

In zijn ontwerp kan Guelbenzu vier energiebesparende schakelaars plaatsen op hetzelfde oppervlak dat nu een enkele energie slurpende schakelaar inneemt. ‘Dit betekent dat je vier keer zoveel informatie kunt verwerken in dezelfde ruimte, terwijl je slechts twee keer zoveel energie verbruikt’, legt hij uit. Hiervoor was de belangrijkste ontwerpkeuze van de promovendus om een ​​ander type zenderontvangers te gebruiken.

Standaardschakelaars hebben aan de voorkant een aantal zenderontvangers met een fiberingang, waarmee de optische vezels op de rackunit worden aangesloten. Het oppervlak van het voorpaneel van de rackunit beperkt de hoeveelheid zenderontvangers die erin passen. Door inbouw zenderontvangers te gebruiken en die zo dicht mogelijk bij de processor van de schakelaar te plaatsen, kunnen we niet alleen het aantal poorten vergroten, maar ook verliezen verminderen, aangezien het elektrische signaal kortere afstanden hoeft af te leggen naar de schakelchip.’

Naast de schakelaar heeft de elektrotechnisch ingenieur ook een analytisch model gemaakt dat in staat is om verschillende netwerkopstellingen te vergelijken op het gebied van energieverbruik, kosten en het benodigde aantal schakelaars, zenderontvangers en glasvezels. Het model onderzoekt op die manier de introductie van optische schakeltechnieken en zogenaamde wavelength division multiplexing-technologieën in hybride datacenters, die bestaan uit een combinatie van elektrische en optische componenten.

Aanzienlijke besparingen

Hij gebruikte dit model om te verkennen wat gebeurt als je hedendaagse fotonische schakelaars en wavelength division multiplexing -technologieën zou introduceren in datacenternetwerken. ‘In het geval van 25 Gigabit/s-schakelaars, die in de praktijk steeds vaker voorkomen, leidt de introductie van een maximaal aantal fotonische schakelaars tot een besparing van 45 procent in schakelaars, 60 procent in zenderontvangers, 50 procent in glasvezels, 55 procent in energieverbruik en 48 procent in kosten.’ Tot slot toonde hij aan dat de integratie van deze technologieën ook daadwerkelijk praktisch mogelijk is door een werkend kleinschalig hybride datacenter te bouwen.

Gonzalo Guelbenzu de Villota verdedigt zijn proefschrift ‘Scalable electro-optical solutions for data center networks’ op donderdag 22 maart 2018 aan de Technische Universiteit Eindhoven. Promotor prof.ir. A.M.J. Koonen, co-promotors dr. O. Raz en dr. N. Calabretta.