Innovationen in der Datenkommunikation im Zeitalter der KI

In der Welt der Funkgeräte ist der Wandel das einzig Beständige, und wir befinden uns gerade in der Anfangsphase der Veränderungen, die durch die Fortschritte im Bereich der künstlichen Intelligenz hervorgerufen werden.

Ich bin nun seit genau 20 Jahren bei Finisar/II-VI/Coherent tätig. Wie viele von Ihnen sicherlich wissen, war Finisar (heute Coherent) einPionier im Bereich der steckbaren Transceiver, und der Name Finisar ist fast schon zum Synonym für Transceiver geworden.

Von Kommunikationsnetzen über Unternehmensrechenzentren bis hin zu Web-2.0-Hyperskalern – durch evolutionäre und revolutionäre Veränderungen der wichtigsten Markttreiber hat sich in den letzten 20 Jahren vieles gewandelt.

Derzeit erleben wir eine weitere bedeutende Veränderung auf dem Markt: nämlich das rasante Wachstum im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) und des maschinellen Lernens (ML). Diese Anwendungen werden das nächste Kapitel in der Geschichte der optischen Transceiver prägen – ein Kapitel, das wir bei Coherent bereits zu schreiben begonnen haben.

Diese Geschichte ist wichtig. Denn Transceiver spielen in der modernen Gesellschaft, in der wir leben, eine zwar unsichtbare, aber unverzichtbare Rolle. Ob wir uns dessen bewusst sind oder nicht – die meisten von uns nutzen täglichGlasfasernetzwerke und Transceiver.

Nehmen wir als einfaches Beispiel eine Suchmaschine. Haben Sie sich schon einmal überlegt, was zwischen der Eingabe einer Suchanfrage und der Anzeige der Ergebnisse passiert? Eine durchschnittliche Suchanfrage legt über Glasfasernetzwerke Hunderte von Kilometern bis zum Rechenzentrum und wieder zurück zurück. Im Rechenzentrum wird eine einzige Suchanfrage von Hunderten von Computern bearbeitet, um eine Antwort zu finden. Diese Computer sind über Glasfaserkabel miteinander vernetzt. Glasfaser-Transceiver erfüllen dabei eine wichtige Funktion, indem sie elektrische Signale in Lichtsignale umwandeln und wieder zurück. Das bedeutet: Wenn Sie heute eine Suche durchführen, nutzen Sie höchstwahrscheinlich ein Glasfasernetz, und das Signal läuft dabei sehr wahrscheinlich über einen Transceiver von Coherent.

Warum KI-Innovation Netzwerkinnovationen benötigt

Lassen Sie uns zunächst ein wenig über den Markt nachdenken.

Ich denke, die meisten von Ihnen haben schon einmal von OpenAI’s ChatGPT, Googles Bard oder Microsofts Bing gelesen oder diese Dienste genutzt. Tatsächlich gilt OpenAI’s ChatGPT als die am schnellsten wachsende App aller Zeiten und erreichte in nur zwei Monaten eine Nutzerzahl von 100 Millionen.

Sie fragen sich vielleicht, was das mit Walkie-Talkies zu tun hat.

KI muss auf bestehenden Datensätzen trainiert werden, die möglicherweise Milliarden von Parametern umfassen. Dazu ist eine enorme Rechenleistung erforderlich, die auf Zehntausende von Prozessoren verteilt ist. Um diesen neuen Anforderungen gerecht zu werden, werden in Rechenzentren die Architekturen von Servern und Netzwerkgeräten, die speziell für KI und ML ausgelegt sind, grundlegend überarbeitet und erweitert.

Das Frontend des Netzwerks (Ebene 1) basiert weiterhin auf der herkömmlichen Architektur mit Spine-Switches, die mit Leaf- und Top-of-Rack-Switches (ToR) verbunden sind. Der neue Hochleistungs-Rechenbereich des Netzwerks (Ebene 0 oder Backend), der aus KI-/ML-Servern und beschleunigten Rechengeräten besteht, wurde zusammen mit herkömmlichen Rechen- und Speicherkapazitäten in das bestehende Netzwerk integriert. In diesem Netzwerk kommen auf allen Ebenen optische Verbindungen einschließlich Transceiver zum Einsatz. 

KI-/ML-Server und ihre Verbindungsstrukturen führen ebenso wie die Verbindungen herkömmlicher Rechen- und Speicherserver zu einer Zunahme der Anzahl optischer Verbindungen im Rechenzentrum.

Die Geschwindigkeit von Transceivern ist für die Netzwerkleistung von entscheidender Bedeutung. Aufgrund der Veränderungen im Netzwerk, die für den Einsatz von KI und ML erforderlich sind, sehen wir uns – ebenso wie andere Akteure der Branche – gezwungen, immer schnellere Transceiver in einem noch höheren Tempo einzuführen. Noch vor 20 Jahren lag die höchste Datenrate bei optischen Transceivern bei 10 G. Heute stammen mehr als 50 % des Umsatzes im Datenkommunikationsgeschäft von Coherent aus Transceivern mit Datenraten von 200 G oder mehr. Angetrieben durch die steigende Nachfrage im Zuge der zunehmenden Nutzung von KI und ML werden bereits 800-G-Transceiver in Serie ausgeliefert, und wir gehen davon aus, dass in den nächsten Jahren die ersten 1,6-T-Transceiver auf den Markt kommen werden. In fünf Jahren wird der Markt für 800-G- und 1,6-T-Datenkommunikations-Transceiver – stark angetrieben durch KI und ML – voraussichtlich größer sein als der Markt für alle anderen Arten von Datenkommunikations-Transceivern zusammen.

Coherent verfügt bereits Coherent ein umfassendes Portfolio an Transceivern, die den Anforderungen von KI und ML gerecht werden. Diese Transceiver sind protokollunabhängig. Das bedeutet, dass dieselbe Transceiver-Hardware nicht nur Ethernet und InfiniBand, sondern auch proprietäre Protokolle für KI und ML wie beispielsweise NVLink von NVIDIA unterstützt. Coherent gilt weithin als Experte für diese Transceiver und deren Kerntechnologie.

Vertikale Integration → Schnelle Innovation → Noch schnellere Funkgeräte

Um diesen Bedarf zu decken und die Geschwindigkeit der Funkgeräte zu erhöhen, mussten wir die technologische Innovation in rasantem Tempo vorantreiben. Wie sollten wir dabei vorgehen?

Seit vielen Jahren tätigen wir strategische Investitionen, um eine vertikale Integration auf einzigartigem Niveau zu erreichen. Wir entwickeln und fertigen nicht nur Transceiver im eigenen Haus, sondern auch zahlreiche Komponenten wieLaser,Detektorenundpassive optische Systeme. Bei der Entwicklung neuer Transceiver beziehen wir diese Komponenten entweder von renommierten Entwicklungspartnern oder entwickeln und fertigen sie selbst. Auf der Grundlage von Geschäftsmodellen, der Zeit bis zur Markteinführung und strategischen Überlegungen entscheiden wir, was intern entwickelt wird und was gemeinsam mit Lieferanten entwickelt wird.

Coherent entwickelt viele Komponenten für Transceiver im eigenen Haus. Oben: Ein von Coherent entwickelter integrierter Schaltkreis.

Die Welt mit modernster Datenkommunikationstechnologie verbinden

Als CTO und in meiner Rolle als langjähriger Leiter der Entwicklung von Datenkommunikations-Transceivern möchte ich Ihnen detailliert erläutern, wie unser Unternehmen durch vertikale Integration – insbesondere unter Einsatz modernster Lasertechnologie – die vom Markt zunehmend gefragten 800-G- und 1,6-T-Transceiver herstellt.

Für 800-G- und 1,6-T-Transceiver sind Laser mit 100 G/Lane bzw. 200 G/Lane erforderlich. Die Art des verwendeten Lasers hängt von der Datenrate und der Länge der Glasfaserverbindung ab. Im Allgemeinen beträgt die Verbindungslänge im AI/ML-Fabric-Teil des Netzwerks (Ebene 0) weniger als 50 m, die Verbindungslänge zwischen ToR-Switches und Spine-Switches (Ebene 1) maximal 500 m und die Verbindungslänge zwischen Switches und Routern oder zwischen Routern (Telekommunikationszugang) 2 bis 10 km. Die für diese Entfernungen und Anwendungsfälle am besten geeignete Lasertechnologie ist jeweils unterschiedlich.

Forschungs- und Entwicklungslabor für Transceiver von Coherent in Fremont, Kalifornien

Für Verbindungsstrecken unter 100 m, einschließlich der Untergruppen der Level-0- und Level-1-Verbindungen, kommenvertikale Oberflächenemitterlaser (VCSEL)zum Einsatz. Diesebasieren aufunserer Galliumarsenid(GaAs)-Technologieplattform. VCSEL sind in der Regel die kostengünstigste und energieeffizienteste Lösung und eignen sich ideal für Verbindungen unter 100 m. Es besteht eine große 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 weltweit führenden VCSEL-Hersteller mit den höchsten Produktionsvolumina und liefern VCSELs sowohl für die Datenkommunikation als auch für den Konsumgüterbereich. Unsere 100-G/Lane-VCSELs werden für den Einsatz in 400-G- und 800-G-Transceivern hergestellt. Wir arbeiten derzeit an 200-G/Lane-VCSELs, was jedoch erhebliche Änderungen am Design und an der Fertigung der VCSEL-Bauteile erfordert.

Ein Hochgeschwindigkeits-VCSEL, der auf einem 6-Zoll-Galliumarsenid-Wafer hergestellt wird.

Für Level-1-Switching über Entfernungen, die mit VCSELs nicht abgedeckt werden können, sowie für den Telekommunikationszugang kommen Singlemode-Bauteile zum Einsatz. Diese Bauteile werden ausIndiumphosphid (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 in großem Maßstab in der Praxis bewährt hat: In den letzten 20 Jahren wurdenmehr als 200 Millionen unserer Datenkommunikationslaserim Feld eingesetzt. Unsere Laser sind von nahezu allen Netzwerk-OEMs weltweit sowie von Web 2.0-Anbietern zertifiziert und im Einsatz. Auf der Grundlage dieser umfassenden Erfahrung entwickeln wir Laser für Singlemode-Transceiver mit 800 G und 1,6 T.

Wenn die Entfernung der Level-1-Verbindung 100 m überschreitet, können Transceiver auf Basis der Siliziumphotonik verwendet werden. Alle Produkte der Siliziumphotonik benötigen einen InP-CW-Laser (Continuous Wave) zur Lichterzeugung. Wir vertreiben diese Laser auf dem Markt und planen, sie auch in unseren eigenen Transceiver-Designs einzusetzen, wie beispielsweise in dem auf Siliziumphotonik basierenden 800-G-DR8-Transceiver, den wir auf der European Conference on Optical Communications (ECOC) im September 2022vorgeführt haben.

Bei Level-1-Verbindungen über 100 m sowie bei Telekommunikationszugängen (2 bis 10 km) kommen unter Umständen elektrisch absorbierte Modulationslaser (EML) zum Einsatz. Wir stellen EMLs mit 100Gpro Lane her, die für 400-G- und 800-G-Transceiver geeignet sind,darunter auch EML-basierte 800-G-DR8-Transceiver, die wir bereits auf der ECOC 2022 vorgeführt haben. Außerdem haben wir auf der ECOC einen EML mit 200 G/Lane vorgestellt und dafürden Lightwave Innovation Reviews Awarderhalten.

Wie wir es von einem 200-Gbit/Lane-Transceiver erwarten, ist das Erreichen einer Reichweite von 10 km auch für EMLs eine wichtige Herausforderung. Für solche Anwendungen setzen wir große Hoffnungen auf unsere bahnbrechende neue Lasertechnologie, den sogenannten DFB-MZ (Abkürzung für „Distributed Feedback Laser with Mach-Zehnder“). Dabei handelt es sich um einen InP-CW-Laser, der monolithisch mit einem InP-Mach-Zehnder-Modulator integriert ist. Diese Lasertechnologie ermöglicht 1,6-T-Transceiver mit einer Reichweite von bis zu 10 km. Dies ist eine Lasertechnologie auf dem neuesten Stand der Technik, die 200 G pro Lane ermöglicht.

Coherent hat auf der OFC 2023 eine Demonstration seiner monolithisch integrierten, verteilten Rückkopplungs-Laser-Mach-Zehnder-Modulator-Technologie für 200G-PAM4-Anwendungen vorgeführt.

Unser Versprechen: Die treibende Kraft für Innovationen im Zeitalter der KI

Es steht außer Frage, dass das Zeitalter der KI angebrochen ist. Tatsächlich befinden wir uns bereits in dieser Phase. Als Innovationsführer verspricht Coherent, seinen Kunden durch bahnbrechende Technologien die Möglichkeit zu geben, die Zukunft selbst zu gestalten.

Als seit über 20 Jahren führender Anbieter von Datenfunkgeräten wollen wir auch in Zukunft technologische Innovationen vorantreiben und als Technologieführer umfassende Lösungen anbieten, die den Anforderungen unserer Kunden an Rechenzentren gerecht werden. Es ist uns eine große Freude, einen Beitrag zu Hardware-Lösungen zu leisten, die das Potenzial von KI und ML voll ausschöpfen. Und auch nach 20 Jahren – es mag unglaublich klingen – bereitet es uns nach wie vor große Freude, in der schnelllebigen und einflussreichen Weltder optischen Kommunikationtätig zu sein.

Weitere Informationen finden Sie unterwww.coherent.comをご覧ください. Folgen Sie uns auchauf LinkedIn.