Xây dựng mạng trung tâm dữ liệu tốc độ 1,6T

Công xưởng dữ liệu thông tin

Gần đây, giảm tải xử lý dữ liệu cho các máy chủ ngoài đang trở thành xu hướng. Để hỗ trợ các mạng điện toán đám mây, các trung tâm dữ liệu siêu quy mô đã được xây dựng trên khắp thế giới. Các trung tâm dữ liệu nhỏ hơn dành cho điện toán biên cũng ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn để xử lý các ứng dụng yêu cầu thời gian trễ thấp. Các "ông xưởng thông tin" đã phát triển từ các trung tâm dữ liệu để trở thành nguồn điện toán mạnh mẽ cho các ứng dụng có nhu cầu cao.

Hình 1. Các lợi ích của điện toán biên được trình diễn trong phương tiện vận chuyển tự hành.

Những tác động của điện toán biên đến thị trường phương tiện vận chuyển tự hành (AV) là thứ mang lại sức hấp dẫn cho điện toán biên. AV sử dụng các máy chủ nhỏ hơn ở "vùng biên", giúp giảm đáng kể độ trễ, thay vì phải đặt một siêu máy tính trong phương tiện để xử lý dữ liệu cảm biến. Các ứng dụng điện toán đám mây bao gồm từ việc điều khiển rô-bốt nhà máy đến phục vụ hàng nghìn người dùng VR trong vũ trụ ảo (metaverse). Thị trường kết nối mạng hướng tới tốc độ 1,6T vì tốc độ của các trung tâm dữ liệu 400G ngày nay vẫn chưa đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu của nhiều ứng dụng mới nổi.

Bên trong trung tâm dữ liệu

Các tiêu chuẩn của Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE) và Diễn đàn liên kết mạng quang (OIF) hiện đang được tuân thủ bởi các bộ thu phát lớp vật lý trong mạng của trung tâm dữ liệu. Cả hai tổ chức tiêu chuẩn này đều xác định mức độ tương tác của từng giao diện trong trung tâm dữ liệu. Các tiêu chuẩn gần đây nhất là IEEE 802.3ck (mạng trên các luồng 100 Gb/s) và OIF CEI-112G (xác định tốc độ 112 Gb/s) tại thời điểm bài báo này được viết.

Hình 2. Giao diện máy chủ trung tâm dữ liệu tiêu chuẩn OIF CEI và IEEE. (Hình do Tony Chan Carusone, Alphawave IP, cung cấp)

Những thách thức và sáng tạo đối với 800G/1,6T

Tốc độ Ethernet đã tăng đáng kể trong vài thập kỷ qua, đạt 400 Gb/s trên bốn luồng PAM4 56 GBaud (GBd). Tốc độ kết nối được dự đoán sẽ tăng gấp đôi trong vài năm tới.

Hình 3. Tốc độ Ethernet theo thời gian, từ tiêu chuẩn IEEE 802.3 đầu tiên.

Thế hệ (tiêu chuẩn) 800G đầu tiên có thể sẽ bao gồm tám luồng 112 Gb/s với tốc độ dữ liệu tổng hợp 800 Gb/s. Tuy nhiên, hiệu quả sẽ được cải thiện khi tăng tốc độ dữ liệu trên mỗi luồng (từ 112 Gb/s lên 224 Gb/s). Khi xác định các tiêu chuẩn 800G và 1,6T, IEEE và OIF sẽ xem xét ưu nhược điểm của từng phương pháp triển khai.

Một số thách thức và giải pháp tiềm năng để đạt tốc độ luồng 224 Gb/s bao gồm:

Bán dẫn trong thiết bị chuyển mạch

Chip bán dẫn chuyển mạch kết nối mạng thực hiện chuyển mạch giữa các phần tử trong trung tâm dữ liệu có độ trễ thấp. Băng thông bộ xử lý của bộ chuyển mạch đã tăng từ 640 Gb/s lên 51,2 Tb/s từ năm 2010 đến năm 2022 nhờ nhiều cải tiến trong công nghệ xử lý bán dẫn oxit kim loại bù (CMOS). Một lần nữa, băng thông sẽ tăng gấp đôi lên 102,4T trong thế hệ sau của bán dẫn chuyển mạch. Các thiết bị chuyển mạch bán dẫn này sẽ hỗ trợ 800G và 1,6T trên các luồng 224 Gb/s.

Sửa lỗi trước

Kỹ thuật truyền dữ liệu bổ sung được gọi là Sửa lỗi trước (FEC) cho phép bộ thu khôi phục tín hiệu từ các bit lỗi. Các thuật toán FEC có thể khôi phục các khung dữ liệu từ các lỗi ngẫu nhiên, nhưng chúng gặp khó khăn khi sửa lỗi chùm (burst) khi mất toàn bộ khung. Mỗi kiến trúc FEC đều có ưu nhược điểm về độ trễ, hiệu suất tiêu thụ năng lượng, bit mào đầu overhead, độ tăng hiệu suất mã hóa và độ trễ. Cần có các thuật toán FEC phức tạp hơn trong các hệ thống 224 Gb/s để giảm thiểu lỗi chùm.

Hình 4. Các loại kiến trúc FEC khác nhau và lợi ích của chúng. (Hình do Cathy Liu, Broadcom Inc., cung cấp.)

Mô-đun quang và hiệu suất năng lượng

Tiêu thụ điện năng là thách thức khó khăn nhất đối với các trung tâm dữ liệu. Mỗi thế hệ, mức tiêu thụ điện năng của mô-đun quang tăng lên. Thiết kế mô-đun quang dần dần hiệu quả hơn sau khi hoàn thiện, giảm dần mức tiêu thụ điện năng trên mỗi bit. Nhưng mức tiêu thụ điện năng trung bình cao của các mô-đun vẫn là một vấn đề đáng lo ngại khi mỗi trung tâm dữ liệu chứa trung bình 50.000 mô-đun quang. Lắp ráp chung linh kiện quang có thể giảm mức tiêu thụ điện năng cho mỗi mô-đun, cho phép chuyển đổi quang điện vào chip, nhưng nhu cầu làm mát mô-đun vẫn cần được đáp ứng.

Hình 5. Xu hướng tiêu thụ điện năng của mô-đun quang. (Hình do Supriyo Dey, Eoptolink, cung cấp)

Hình 6. Các mô-đun quang cắm được và lắp ráp trên cùng chip. (Hình do Tony Chan Carusone, Alphawave IP, cung cấp)

Khởi động 1,6T

Nền tảng 400G mà IEEE và OIF thiết lập cho giao diện 800G sắp tới sẽ được sử dụng. Năm 2022, chíp bán dẫn chuyển mạch 51,2T đầu tiên được giới thiệu, hỗ trợ 64 cổng 800 Gb/s và quá trình xác thực cho bộ thu phát 800G đầu tiên đã bắt đầu.

Các tổ chức tiêu chuẩn sẽ phát hành các phiên bản đầu tiên của tiêu chuẩn IEEE 802.3df và OIF 224 Gb/s trong năm nay, cung cấp hướng dẫn kỹ hơn cho các nhà phát triển về cách xây dựng các hệ thống 800G và 1,6T sử dụng các luồng 112 Gb/s và 224 Gb/s. Các tổ chức tiêu chuẩn dự kiến sẽ hoàn thiện các tiêu chuẩn lớp vật lý trong hai năm tới và quá trình phát triển và xác nhận hợp chuẩn thực tế sẽ bắt đầu ngay sau đó.

Hình 7. Dự kiến thời gian phát triển của 800G và 1,6T.

Các nhà khai thác hiện đang nâng cấp trung tâm dữ liệu lên mạng 400G, nhưng chỉ để chờ đợi cho lần nâng cấp tốc độ không thể tránh khỏi tiếp theo. Để hỗ trợ các công nghệ mới sử dụng nhiều dữ liệu hơn, các trung tâm dữ liệu sẽ luôn yêu cầu các công nghệ dữ liệu có khả năng mở rộng và hiệu quả hơn.

Tạp chí Điện tử và Ứng dụng

Cập nhật tin tức công nghệ mới nhất tại fanpage Công nghệ & Cuộc sống