Innovationen in der Datenkommunikation im Zeitalter der KI

In der Welt der Transceiver ist der Wandel die einzige Konstante, und dank der Fortschritte im Bereich der künstlichen Intelligenz stehen wir gerade am Anfang einer großen Veränderung.

Vor kurzem habe ich mein 20-jähriges Jubiläum bei Finisar/II-VI/Coherent gefeiert. Wie viele von Ihnen wissen, war Finisar (heute Coherent) ein führender Anbieter von steckbaren Transceivern, weshalb der Name Finisar fast schon als Synonym für Transceiver gilt.

In den letzten 20 Jahren hat sich viel verändert, da in allen wichtigen Märkten – von Telekommunikationsnetzen über Unternehmensrechenzentren bis hin zu Web-2.0-Hyperscalern – kontinuierlich und stetig innovative Veränderungen stattfanden.

Heute erleben wir aufgrund des rasanten Wachstums von künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen (ML) einen dramatischen Wandel auf diesem Markt. Diese Anwendungsbereiche werden die nächste Ära der optischen Transceiver prägen, und Coherent ist bereits dabei, diese Ära einzuläuten.

Transceiver spielen in der modernen Welt, in der wir leben, eine zwar unsichtbare, aber äußerst wichtige Rolle. Ob wir uns dessen bewusst sind oder nicht – die meisten von uns nutzen täglich Glasfasernetzwerke und Transceiver.

Ein einfaches Beispiel ist die Nutzung einer Suchmaschine. Haben Sie sich schon einmal überlegt, was passiert, nachdem Sie eine Suchanfrage eingegeben haben, bis die Ergebnisse angezeigt werden? Eine durchschnittliche Suchanfrage legt Hunderte von Kilometern zurück, gelangt in ein Rechenzentrum und kehrt dann über das Glasfasernetz zurück. Im Rechenzentrum selbst durchsucht eine einzige Suchanfrage Hunderte von Computern nach einer Antwort.  Diese Computer sind über Glasfaserkabel miteinander vernetzt. Optische Transceiver übernehmen dabei die wichtige Aufgabe, elektrische Signale in optische Signale umzuwandeln und umgekehrt. Wenn Sie also heute eine Suche durchgeführt haben, haben Sie wahrscheinlich ein Glasfasernetz genutzt, und das Signal wurde höchstwahrscheinlich über Coherent übertragen.

Warum KI-Innovation mit Netzwerkinnovationen einhergehen muss

Ich beginne mit der Marktperspektive.

Ich bin mir sicher, dass die meisten von uns schon einmal von OpenAI’s ChatGPT, Googles Bard oder Microsofts Bing gelesen oder diese sogar ausprobiert haben. Tatsächlich wurde OpenAI’s ChatGPT als die am schnellsten wachsende App der Geschichte bezeichnet und erreichte innerhalb von nur zwei Monaten 100 Millionen Nutzer.

Sie fragen sich vielleicht, was das mit dem Transceiver zu tun hat.

KI muss auf der Grundlage bestehender Datensätze trainiert werden, die Milliarden von Parametern umfassen können. Dies erfordert erhebliche Rechenleistung, die auf Zehntausende von Prozessoren verteilt ist. Um diesen neuen Anforderungen gerecht zu werden, werden Rechenzentren grundlegend umgestaltet und um spezielle Server sowie Netzwerkausrüstung für KI und ML erweitert.

Das Frontend (Ebene 1) des Netzwerks behält die bestehende Architektur aus Spine-Switches bei, die mit Leaf-/ToR-Switches (Top-of-Rack) verbunden sind.  Der neue Beschleunigungsbereich des Netzwerks (Ebene 0 oder Backend), der aus KI-/ML-Servern und Beschleunigungsgeräten besteht, wird zusammen mit den bestehenden Rechen- und Speicherressourcen in das bestehende Netzwerk integriert. Optische Verbindungen, einschließlich Transceiver, kommen auf allen Ebenen dieses Netzwerks zum Einsatz. 

KI-/ML-Server und die dazugehörige Netzwerkinfrastruktur erhöhen die Anzahl der optischen Verbindungen im Rechenzentrum zusätzlich zu den Verbindungen zu den bestehenden Rechen- und Speicherservern.

Die Geschwindigkeit von Transceivern ist für die Netzwerkleistung von entscheidender Bedeutung.  Aufgrund der Netzwerkumstellungen zur Verarbeitung von KI und ML bringen wir und andere Unternehmen der Branche Hochgeschwindigkeits-Transceiver schneller auf den Markt als je zuvor. Noch vor 20 Jahren lag die höchste Datenübertragungsrate bei optischen Transceivern bei 10 G. Heute stammen mehr als 50 % des Umsatzes von Coherent im Bereich Datenkommunikation aus Transceivern mit Datenübertragungsraten von 200 G oder mehr.  Aufgrund der steigenden Nachfrage durch den zunehmenden Einsatz von KI und ML werden bereits 800G-Transceiver produziert, und wir erwarten, dass in den nächsten Jahren die ersten 1,6T-Transceiver auf den Markt kommen werden. Innerhalb von fünf Jahren werden die Marktchancen für 800G- und 1,6T-Datenkommunikations-Transceiver voraussichtlich größer sein als die aller anderen Arten von Datenkommunikations-Transceivern zusammen, was hauptsächlich auf KI und ML zurückzuführen ist.

Coherent verfügt bereits über ein umfassendes Transceiver-Portfolio, das den Anforderungen im Bereich KI und ML gerecht wird. Da diese Transceiver protokollunabhängig sind, kann dieselbe Transceiver-Hardware sowohl Ethernet als auch InfiniBand unterstützen und ist zudem mit proprietären Protokollen für KI und ML wie beispielsweise NVLink von NVIDIA kompatibel.  Coherent ist weithin als Spezialist für diese Transceiver und die dazugehörigen Kerntechnologien anerkannt.

Vertikale Integration → Schnelle Innovation → Schnellere Transceiver

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden und die Geschwindigkeit der Transceiver zu erhöhen, musste das Innovationstempo sehr hoch sein. Wie lässt sich dies umsetzen?

Wir haben über Jahre hinweg strategische Investitionen getätigt, die uns ein einzigartiges Maß an vertikaler Integration ermöglichen. Wir entwickeln und fertigennicht nur unsere Transceiver selbst, sondern auch viele Komponenten, darunter Laser, Detektoren und passive optische Bauteile. Wenn wir einen neuen Transceiver entwickeln, für den neue Komponenten benötigt werden, beziehen wir diese entweder von einem unserer wichtigsten Entwicklungspartner oder entwickeln und fertigen sie intern.  Auf der Grundlage von Geschäftsmodellen, Markteinführungszeitpunkten und strategischen Überlegungen entscheiden wir, was wir selbst entwickeln und was wir gemeinsam mit Lieferanten entwickeln.

Coherent entwickelt intern zahlreiche Komponenten für Transceiver. Oben: Von Coherent entwickelte integrierte Schaltkreise.

Die Welt verbinden durch modernste Datenkommunikationstechnologie

Auf der Grundlage der langjährigen Erfahrung von Coherent im Bereich der Entwicklung von Datenkommunikations-Transceivern werden wir Ihnen die Vorteile unserer vertikalen Integration näher erläutern und insbesondere darlegen, wie wir mithilfe verschiedener modernster Lasertechnologien die auf dem Markt zunehmend gefragten 800G- und 1,6T-Transceiver herstellen.

Für 800G- und 1,6T-Transceiver sind 100G/Lane- und 200G/Lane-Laser erforderlich. Der verwendete Lasertyp hängt von der Datenübertragungsrate 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 Verbindung zwischen ToR-Switches und Spine-Switches (Ebene 1) maximal 500 m und die Verbindung zwischen Switches und Routern oder zwischen Routern untereinander (Telekommunikationszugang) zwischen 2 und 10 km.  Je nach diesen Entfernungen und Anwendungsbereichen ist der Einsatz unterschiedlicher Lasertechnologien am effektivsten.

Das Forschungs- und Entwicklungslabor für Coherent in Fremont, Kalifornien.

Für Verbindungsstrecken unter 100 m, einschließlich Level-0-Verbindungen und einer Teilmenge von Level-1-Verbindungen, kommen vertikale Oberflächenemissionslaser (VCSEL)zum Einsatz. Diese basieren auf derGalliumarsenid(GaAs)-Technologieplattform. VCSEL sind in der Regel die kostengünstigste und energieeffizienteste Lösung und eignen sich besonders für Verbindungen unter 100 m.  Es besteht eine erhebliche Nachfrage nach VCSEL-basierten Transceivern für AI/ML-Anwendungen.  

Coherent verfügt über mehrere Produktionsstätten für 6-Zoll-GaAs-VCSELs in den USA und Europa. Wir sind einer der weltweit größten Hersteller von VCSELs und beliefern sowohl den Bereich der Datenkommunikation als auch den Verbrauchermarkt.  Die 100G/Lane-VCSELs von Coherent werden derzeit für 400G- und 800G-Transceiver produziert. Derzeit forschen wir an 200G/Lane-VCSELs, was erhebliche Änderungen im Design und in der Fertigung der VCSEL-Bauteile erfordern wird.

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

Für Level-1-Switching und den Kommunikationszugang über Entfernungen, die die Reichweite von VCSELs übersteigen, kommen Singlemode-Bauteile zum Einsatz. Diese Bauteile werden aus Indiumphosphid (InP) hergestellt.  Coherent verfügt über mehrere InP-Fabriken in den USA und Europa. Unsere InP-Technologieplattform ist eine der wenigen in der Branche, die sich in der Praxis bewährt hat, und in den letzten 20 Jahren wurden über 200 Millionen Datenkommunikationslaserim Feld eingesetzt.  Unsere Laser sind für nahezu alle Netzwerk-OEMs weltweit sowie für Web 2.0 geeignet und wurden entsprechend eingesetzt. Wir nutzen diese umfassende Erfahrung, um Laser zu entwickeln, die Single-Mode-800G- und 1,6T-Transceiver unterstützen.

Bei Level-1-Verbindungen mit einer Reichweite von mehr als 100 m können Transceiver auf Basis der Siliziumphotonik eingesetzt werden. Alle Produkte der Siliziumphotonik benötigen einen InP-CW-Laser (Continuous Wave) zur Lichterzeugung.  Wir bringen solche Laser auf den Markt und planen, sie auch in unseren eigenen Transceiver-Designs einzusetzen, wie beispielsweise dem auf der ECOC (European Conference on Optical Communications) im September 2022 vorgestelltenTransceiver auf Basis der Siliziumphotonik mit 800G-DR8.

Für Level-1-Verbindungen mit einer Reichweite von mehr als 100 m sowie für den Kommunikationszugang (2–10 km) können elektrisch modulierende Laser (EML) eingesetzt werden.  Wir stellen 100G/Lane-EMLs her, um 400G- und 800G-Transceiver wie den EML-basierten 800G-DR8-Transceiverzu unterstützen, und haben diese ebenfalls auf der ECOC 2022 vorgeführt. Zudem haben wir auf der ECOC einen 200G/Lane-EML vorgestellt und den Lightwave Innovation Reviews Awardgewonnen.

Angesichts der Erwartungen an 200-Gbit/Lane-Transceiver stellt es selbst bei Verwendung von EML eine große Herausforderung dar, eine Reichweite von 10 km zu erreichen. Für solche Anwendungsbereiche setzen wir auf eine bahnbrechende neue Lasertechnologie namens DFB-MZ. Dies steht für „Distributed Feedback Laser with Mach-Zehnder“.  Es handelt sich dabei um einen InP-CW-Laser, der integral mit einem InP-Mach-Zehnder-Modulator integriert ist. Dank dieser Lasertechnologie werden auch 1,6-T-Transceiver mit einer Reichweite von bis zu 10 km möglich sein. Dies ist die Spitzentechnologie im Bereich der 200-G-Laser pro Lane.

Coherent hat auf der OFC 2023 eine integrierte 200G-PAM4-Technologie mit dezentraler Rückkopplung und einem integrierten Mach-Zehnder-Modulator vorgeführt.

Unser Versprechen: Innovation im Zeitalter der KI vorantreiben

Es besteht kein Zweifel daran, dass wir uns auf das Zeitalter der KI zubewegen. Tatsächlich sind wir bereits mitten darin. Als Innovationsführer ist es unser Anspruch, unseren Kunden durch innovative Technologien die Möglichkeit zu geben, die Zukunft selbst zu gestalten.

Seit über 20 Jahren sind wir führend im Bereich der Datenkommunikations-Transceiver. Auch in Zukunft werden wir durch kontinuierliche Innovation unsere technologische Führungsposition behaupten und unseren Kunden Volumelösungen anbieten, mit denen sie Rechenzentren realisieren können, die ihren Anforderungen gerecht werden.  Wir freuen uns, Hardware-Lösungen anbieten zu können, die Ihnen helfen, das Potenzial von KI und ML voll auszuschöpfen. Es mag kaum zu glauben sein, aber auch nach 20 Jahren bereitet es mir noch immer Freude, in dieser sich schnell verändernden und einflussreichen Welt der optischen Kommunikationzu arbeiten.

Weitere Informationen finden Sie unter www.coherent.com을. Folgen Sie uns auf LinkedIn.