TU/e vergroot efficiëntie van datacenters met fotonica

Hoe kan in datacenters dezelfde hoeveelheid data worden verwerkt met de helft van de energie en in een kwart van de ruimte die hiervoor nu nodig is? Hiervoor heeft promovendus Gonzalo Guelbenzu van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) strategieën ontwikkeld.

De hoeveelheid data die datacenters moeten verwerken stijgt exponentieel. Om aan de toenemende behoefte aan bandbreedte te kunnen voldoen, worden steeds meer servers toegevoegd. Dit leidt tot omvangrijke datacenters. Op dit moment verbruiken datacenter in Nederland ongeveer 2 Terawattuur per jaar, wat neerkomt op 2% van het totale nationale elektriciteitsverbruik.

Optische netwerken

In de groep Electro-Optical Communications van het Institute for Photonic Integration heeft Gonzalo Guelbenzu zich daarom gericht op het verbeteren van het optische netwerk dat alle servers binnen het datacenter met elkaar verbindt. Dit aangezien het grootste deel van het dataverkeer op dit netwerk plaatsvindt en hier de grootste problemen kunnen optreden.

Bij het versturen van data worden zenderontvangers ingezet om de optische datasignalen in elektrische signalen om te zetten, zodat deze kunnen worden opgeslagen, herverdeeld of op andere wijze kunnen worden verwerkt door elektronische schakelaars. Guelbenzu heeft onder meer deze schakelaars verkleind: hij demonstreerde een prototype schakelaar die 4 x 128 poorten aankan met een bandbreedte van 5,12 Terabit per seconde. Dit maakt de schakelaar van Guelbenzu volgens de TU/e één van de meest compacte ter wereld.

Meer schakelaars op hetzelfde oppervlak

Dankzij zijn ontwerp kan Guelbenzu vier energiebesparende schakelaars plaatsen op hetzelfde oppervlak dat nu één schakelaar met een hoger energieverbruik in beslag neemt. "Dit betekent dat je vier keer zoveel informatie kunt verwerken in dezelfde ruimte, terwijl je slechts twee keer zoveel energie verbruikt", aldus Guelbenzu.

De belangrijkste ontwerpkeuze van Guelbenzu was de keuze voor een ander type zenderontvanger. Standaardschakelaars zijn aan de voorzijde voorzien van een aantal zenderontvanger met fiberingang, waarmee optische vezels op de rackunit worden aangesloten. Het oppervlak van het voorpaneel van de rackunit beperkt de hoeveelheid zenderontvangers die geplaatst kunnen worden. Guelbenzu heeft ervoor gekozen inbouw zenderontvanger te gebruiken en deze zo dicht mogelijk bij de processor van de schakelaar te plaatsen. Dit maakt het niet alleen mogelijk meer poorten te plaatsen, maar ook de verliezen te verminderen aangezien het signaal kortere afstanden hoeft af te leggen naar de schakelchip.

Analytisch model

Naast de schakelaar heeft de elektrotechnisch ingenieur een analytisch model ontwikkeld waarmee verschillende netwerkopstellingen kunnen worden vergeleken op het gebied van energieverbruik, kosten en het benodigde aantal schakelaars, zenderontvangers en glasvezels. Het model onderzoekt de mogelijkheid optische schakeltechnieken en zogenaamde zogenaamde wavelength division multiplexing-technologieën in hybride datacenters, die bestaan uit een combinatie van elektrische en optische componenten.

Guelbenzu heeft het model ingezet om te onderzoeken wat er gebeurt indien hedendaagse fotonische schakelaars en wavelength division multiplexing-technologieën worden ingezet 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", aldus Guelbenzu. De elektrotechnisch ingenieur heeft een werkend kleinschalige hybride datacenter gebouwd om de integratie van de technologieën in de praktijk aan te tonen.