INNOVATIONEN IN DER DATENKOMMUNIKATION IM KI-ZEITALTER

In der Welt der Sende- und Empfangsgeräte ist der Wandel die einzige Konstante – und dank der Fortschritte in der künstlichen Intelligenz stehen wir erst am Anfang eines Wandels.

Ich habe gerade mein 20-jähriges Jubiläum bei Finisar/II-VI/Coherent gefeiert. Wie viele von Ihnen wissen, war Finisar (jetzt Coherent) ein Pionier bei steckbaren Transceivern, sodass der Name Finisar fast schon zum Synonym für Transceiver wurde.

Von Telekommunikationsnetzwerken über Unternehmensrechenzentren bis hin zu Web 2.0-Hyperscalern hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten aufgrund evolutionärer und revolutionärer Veränderungen bei den wichtigsten Markttreibern viel verändert.

Heute erleben wir einen weiteren großen Marktwandel, nämlich das dramatische Wachstum künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen (ML). Diese Anwendungen werden das nächste Kapitel in der Geschichte optischer Transceiver bestimmen – ein Kapitel, das wir hier bei Coherent bereits schreiben.

Es ist eine wichtige Geschichte, denn Transceiver sind ein wichtiger, wenn auch unsichtbarer Teil der modernen Welt, in der wir leben. Ob wir uns dessen bewusst sind oder nicht, die meisten von uns nutzen täglich das Glasfasernetz und Transceiver.

Ein einfaches Beispiel ist die Verwendung einer Suchmaschine. Haben Sie schon einmal darüber nachgedacht, was zwischen der Eingabe einer Suchanfrage und der Rückgabe der Ergebnisse passiert? Eine durchschnittliche Suchanfrage reist Hunderte von Kilometern über das Glasfasernetz zu einem Rechenzentrum und wieder zurück. Innerhalb des Rechenzentrums werden für eine einzige Suchanfrage Hunderte von Computern eingesetzt, um eine Antwort zu abzurufen. Diese Computer sind über Glasfaserkabel miteinander vernetzt. Optische Transceiver übernehmen die entscheidende Funktion der Umwandlung elektrischer Signale in optische Signale und wieder zurück. Wenn Sie also heute eine Suche durchgeführt haben, haben Sie das Glasfasernetz genutzt und sehr wahrscheinlich liefen die Signale über Transceiver von Coherent.

Warum KI-Innovation Netzwerkinnovation erfordert

Beginnen wir mit einem Blick auf den Markt.

Ich bin mir sicher, dass die meisten von uns ChatGPT von OpenAI, Bard von Google oder Bing von Microsoft gelesen oder verwendet haben. Tatsächlich gilt ChatGPT von OpenAI als die am schnellsten wachsende App der Geschichte und erreichte in nur zwei Monaten 100 Millionen Nutzer.

Aber was hat das mit Transceivern zu tun, fragen Sie sich vielleicht?

KI muss anhand eines vorhandenen Datensatzes trainiert werden, der Milliarden von Parametern enthalten kann. Dies erfordert erhebliche Rechenleistung, die auf Zehntausende Prozessoren verteilt ist. Um diesen neuen Anforderungen gerecht zu werden, strukturieren Rechenzentren ihre Architektur grundlegend neu und fügen Server- und Netzwerkgeräte hinzu, die speziell auf KI und ML ausgerichtet sind.

Das Front-End des Netzwerks (Level 1) bleibt die traditionelle Architektur von Spine-Switches, die mit Leaf-/Top-of-Rack-Switches (ToR) verbunden sind. Ein neuer beschleunigter Rechenteil des Netzwerks (Level 0 oder Back-End), der aus KI/ML-Servern und beschleunigten Rechengeräten besteht, wird neben der herkömmlichen Rechen- und Speichertechnik an das traditionelle Netzwerk angeschlossen. Auf allen Ebenen dieses Netzwerks werden optische Verbindungen einschließlich Transceivern verwendet.  

Abbildung 1: KI/ML-Server und ihre Konnektivitätsstruktur erhöhen neben der Konnektivität für herkömmliche Rechen- und Speicherserver die Anzahl optischer Verbindungen in Rechenzentren.

Die Geschwindigkeit von Transceivern ist entscheidend für die Leistung des Netzwerks. Die Veränderungen in den Netzwerken im Hinblick auf KI und ML treiben uns und andere in der Branche dazu an, Transceiver mit höherer Geschwindigkeit einzuführen, und das schneller als je zuvor. Noch vor 20 Jahren lag die höchste Datenrate für optische Transceiver bei 10G. Heute werden mehr als 50 % des Umsatzes im Bereich der Datenkommunikation von Coherent mit 200G-Transceivern und höheren Datenraten erzielt. Angetrieben von den Anforderungen der zunehmenden Einführung von KI/ML werden 800G-Transceiver in Produktion ausgeliefert und wir gehen davon aus, dass die ersten 1,6T-Transceiver in den nächsten Jahren ausgeliefert werden. Es wird erwartet, dass die Marktchancen für 800G- und 1,6T-Transceiver in fünf Jahren größer sein werden als die aller anderen Arten von Transceivern für Datenkommunikation zusammen. Das ist größtenteils auf KI und ML zurückzuführen.

Bei Coherent verfügen wir bereits über ein komplettes Portfolio an Transceivern, die auf die Anforderungen von KI und ML abgestimmt sind. Diese Transceiver sind protokollunabhängig. Das bedeutet, dieselbe Transceiver-Hardware ist in der Lage sowohl Ethernet und InfiniBand als auch proprietäre Protokolle für KI und ML wie NVIDIAs NVLink unterstützen. Coherent gilt weithin als Experte für diese Transceiver und ihre Kerntechnologien.

Vertikale Integration → Schnelle Innovation → Schnellere Transceiver

Die Erhöhung der Geschwindigkeit von Transceivern, um diesem Bedarf gerecht zu werden, erforderte ein extrem schnelles Innovationstempo. Wie machen wir das?

Im Laufe der Jahre haben wir strategische Investitionen getätigt, die uns ein einzigartiges Maß an vertikaler Integration ermöglichen. Wir entwickeln und fertigen unsere Transceiver nicht nur intern, sondern entwickeln und fertigen auch viele der Komponenten wie Laser, Sensoren und passive Optiken. Wenn wir einen neuen Transceiver entwickeln, der eine neue Komponente erfordert, beziehen wir diese Komponente entweder von einem unserer geschätzten Entwicklungspartner oder wir entwickeln und fertigen sie intern. Die Entscheidung, was wir intern entwickeln und was wir mit Zulieferern entwickeln, basiert auf dem Geschäftsszenario, der Markteinführungszeit und strategischen Überlegungen.

Abbildung 2: Coherent entwickelt viele Komponenten für Transceiver intern. Oben: Von Coherent entwickelte integrierte Schaltkreise.

Die Welt mit modernsten Datenübertragungstechnologien verbinden

Als CTO und ehemaliger Leiter der Entwicklung von Transceivern für die Datenkommunikation, der 15 Jahre lang tätig war, möchte ich Ihnen einige Details darüber erläutern, wie wir unsere vertikale Integration - und insbesondere eine Reihe modernster Lasertechnologien - nutzen, um die vom Markt zunehmend geforderten 800G- und 1,6T-Transceiver zu entwickeln.

800G- und 1.6T-Transceiver benötigen 100G/Lane- und 200G/Lane-Laser. Der verwendete Lasertyp wird durch die Datenrate und die Länge der Glasfaserverbindung bestimmt. Im Allgemeinen sind die Verbindungen im AI/ML Fabric-Teil des Netzwerks (Level 0) weniger als 50 m lang, Verbindungen zwischen ToR-Switches und Spine-Switches (Level 1) sind bis zu 500 m lang und Verbindungen zwischen Switches und Routern oder Routern und Routern (Telecom Access) sind zwischen 2 und 10 km lang. Für jede dieser Entfernungen und Anwendungen sind unterschiedliche Lasertechnologien am besten geeignet.

Abbildung 3: Coherent F&E-Labor für Transceiver in Fremont, CA.

Für Verbindungsstrecken von weniger als 100 m, einschließlich Level 0-Verbindungen und einer Teilmenge von Level 1-Verbindungen, werden Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSELs) verwendet. Diese basieren auf unserer Galliumarsenid (GaAs)-Technologieplattform. VCSELs sind in der Regel die kostengünstigste Lösung mit dem geringsten Stromverbrauch und die Laser der Wahl für Verbindungen von weniger als 100 m. Wir sehen eine erhebliche Nachfrage nach VCSEL-basierten Transceivern für KI/ML-Anwendungen.  

Coherent verfügt über mehrere Produktionsstätten für 6-Zoll-GaAs-VCSELs in den USA und Europa. Wir sind einer der größten Hersteller von VCSELs weltweit und liefern VCSELs sowohl für Datenkommunikations- als auch für Verbraucheranwendungen. Unsere 100G/Lane VCSELs sind in der Produktion, um 400G- und 800G-Transceiver zu unterstützen. Wir arbeiten an 200G/Lane-VCSELs, die erhebliche Änderungen im Design und der Herstellung der VCSEL-Baugruppen erfordern.

Abbildung 4: Hochgeschwindigkeits-VCSELs, hergestellt auf 6-Zoll-Galliumarsenid-Wafern.

Für das Level-1-Switching über Entfernungen, die von VCSELs nicht unterstützt werden können, und für den Telekommunikationszugang werden Single-Mode-Geräte verwendet. Diese Geräte werden aus Indiumphosphid (InP) hergestellt. Coherent verfügt über mehrere InP-Produktionsstätten in den USA und Europa. Unsere InP-Technologieplattform ist eine der wenigen in der Branche, die sich im großen Maßstab bewährt hat. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden mehr als zweihundert Millionen Datenlaser eingesetzt. Unsere Laser wurden von praktisch jedem Netzwerk-OEM und Web2.0 der Welt qualifiziert und verwendet. Wir nutzen diese umfassende Erfahrung, um Laser zur Unterstützung von Single-Mode 800G- und 1.6T-Transceivern zu entwickeln.

Für Level 1-Verbindungen mit einer Entfernung von mehr als 100 m können Transceiver auf Basis von Silizium-Photonik verwendet werden. Alle Silizium-Photonik-Produkte benötigen einen InP-Laser mit kontinuierlicher Welle (CW), um Licht zu erzeugen. Wir stellen diese Laser auf dem Markt zur Verfügung und planen auch, sie für unsere eigenen Transceiver-Designs zu nutzen, wie z. B. unsere auf Silizium-Photonik basierenden 800G-DR8-Transceiver, die wir auf der European Conference on Optical Communications (ECOC) im September 2022 vorgestellt haben.

Für Level-1-Verbindungen über 100 m und für den Telekom-Zugang (2 – 10 km) können elektroabsorptionsmodulierte Laser (EMLs) verwendet werden. Wir fertigen 100G/Lane EMLs zur Unterstützung von 400G- und 800G-Transceivern, wie z. B. unseren EML-basierten 800G-DR8-Transceiver, den wir ebenfalls auf der ECOC 2022 vorgestellt haben. Ebenfalls auf der ECOC haben wir unseren 200G/lane EML vorgestellt, für den wir den Lightwave Innovation Reviews Award erhalten haben.

Im Hinblick auf 200G/Lane-Transceiver ist es eine große Herausforderung, eine Reichweite von 10 km zu erreichen, selbst mit EMLs. Für diese Anwendung sind wir begeistert von unserer neuesten, bahnbrechenden Lasertechnologie namens DFB-MZ, was für Distributed Feedback Laser with Mach Zehnder steht. Dabei handelt es sich um einen monolithisch integrierten InP-CW-Laser mit einem InP-Mach-Zehnder-Modulator. Diese Lasertechnologie ermöglicht 1,6T-Transceiver mit einer Reichweite von bis zu 10 km. Dies ist der absolute Stand der Technik in der 200G-per-Lane-Lasertechnologie.

Abbildung 5: Coherent demonstrierte auf der OFC 2023 die 200G PAM4 monolithisch integrierte Distributed Feedback Laser-Mach Zehnder Modulator Technologie.

Unser Versprechen: Innovation im Zeitalter der KI vorantreiben

Es besteht kein Zweifel, dass wir in das Zeitalter der KI eintreten. Tatsächlich sind wir bereits darin. Unser Versprechen bei Coherent, als Innovationsführer ist es, unsere Kunden in die Lage zu versetzen, die Zukunft durch unsere bahnbrechenden Technologien zu definieren.

Als führender Anbieter von Datenkommunikations-Transceivern seit mehr als zwei Jahrzehnten wollen wir auch weiterhin innovativ sein, eine führende Rolle in der Technologie einnehmen und unseren Kunden umfangreiche Lösungen liefern, die Rechenzentren nach ihren Anforderungen ermöglichen. Wir freuen uns darauf, Teil der Hardwarelösungen zu sein, die dazu beitragen, die Leistung von KI und ML hervorzubringen. Und ob Sie es glauben oder nicht, nach 20 Jahren bin ich immer noch begeistert, in dieser schnelllebigen und einflussreichen Welt der optischen Kommunikation zu arbeiten.

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