«Мы и другие пытались использовать радиочастотную сигнализацию, но на коротких расстояниях лучи становятся шире», — сказал Мохсен Кавеград, W. L. Профессор кафедры электротехники Вайс, штат Пенсильвания. "Здания могут быть длиной в милю, и каждая стойка должна обеспечивать связь."
В эксперименте, проведенном инженерами Microsoft, исследователи обнаружили, что радиочастотная сигнализация приводит к высоким помехам, ограниченным активным каналам и ограниченной пропускной способности — количеству данных, которые могут проходить через систему.
«Мы используем оптический канал в свободном пространстве», — сказал Кавеград участникам выставки Photonics West 2017 в Сан-Франциско. «В нем используется очень недорогой объектив, мы получаем очень узкий инфракрасный луч с нулевыми помехами и без ограничения количества соединений с высокой пропускной способностью."
Оптическая межстоечная сеть в свободном пространстве с высокой гибкостью (или Firefly) — это совместный проект Пенсильванского университета, Университета Стоуни-Брук и Университета Карнеги-Меллона. Он будет использовать инфракрасные лазеры и приемники, установленные на стойках ЦОД, для передачи информации. Лазерные модули быстро реконфигурируются для обнаружения цели на любой стойке.
Человеческое вмешательство минимально, потому что стоек больше 6.5 футов высотой, поэтому большинство рабочих могут проходить между рядами стоек, не нарушая лазерных лучей.
По словам Кавеграда, в центрах обработки данных могут разместиться 400 000 серверов на стойках, занимающих пространство длиной в милю. Центры обработки данных обычно рассчитаны на пиковый трафик, а это означает, что большую часть времени около 30 процентов серверов отключены. Однако, поскольку они все еще включены, они продолжают выделять тепло и нуждаются в охлаждении.
По оценкам Кавехрада, к 2020 году центры обработки данных будут использовать в общей сложности 140 миллиардов киловатт электроэнергии в час, или эквивалент электроэнергии на сумму 13 миллиардов долларов по сегодняшним темпам — выработку 50 электростанций.
В то время как оптоволоконные кабели и энергозатраты для простаивающих серверов представляют собой проблемы, пропускная способность имеет большее значение. Когда сотни кабелей объединяются в несколько, узкие места при передаче данных снижают скорость, с которой центр обработки данных может доставлять информацию. Гибкая настраиваемая система может уменьшить количество узких мест и даже количество необходимых серверов.
Исследователи разработали архитектуру Firefly, но она еще не реализована. Они создали упрощенную концептуальную систему, чтобы показать, что их инфракрасный лазер может передавать сигнал и нацеливаться на приемник. Они передают мультиплексированные с разделением по длине волны — несколько сигналов, отправляемых разноцветными огнями — двунаправленные потоки данных, каждый из которых несет данные со скоростью передачи 10 гигабит в секунду из набора для тестирования коэффициента битовых ошибок (BER). Тестирование BER определяет количество ошибок в сигнале, вызванных помехами, шумом, искажениями или проблемами синхронизации.
Доказательство концепции установки имеет двунаправленный сигнал с разделением по длине волны, мультиплексированный с односторонним сигналом кабельного телевидения. Полный поток данных идет от оптоволоконного кабеля к инфракрасному лазеру, через комнату к приемнику и показывает результаты на телевизоре и на тестовом наборе BER. Рука, прерывающая лазерный луч, отключает систему, но когда рука убирается, сигнал быстро восстанавливается.
В системе используются MEM — микроэлектромеханические системы — с крошечными зеркалами для быстрого наведения и перенастройки, — сказал Кавеград. Эти MEM используют небольшое количество электричества с четырех направлений для изменения положения зеркала, нацеленного на приемник.
Перемещение зеркал настолько мало, что его невозможно обнаружить, но компьютерная программа быстро определяет местонахождение приемника, а затем сужает цель для достижения максимальной точности. Лазерный луч также можно быстро направить на другой приемник.
Точное наведение на цель и отправка сигнала с помощью инфракрасного лазера — это только два препятствия, которые необходимо преодолеть исследователям, прежде чем Firefly заработает. Как только сигнал достигает цели, он должен беспрепятственно поступать по оптоволоконному кабелю.
Контроль и управление системой распределения данных в беспроводной среде также важны.
«Мы пытаемся придумать что-то реконфигурируемое, используя свет вместо миллиметровых волн (радиочастоты)», — сказал Кавеград. «Нам нужно избегать избыточного выделения ресурсов и обеспечивать достаточную мощность для соединения с минимальным количеством переключателей. Мы бы хотели полностью отказаться от волоконной оптики."