DATACOM-INNOVATION IM ZEITALTER DER KÜNSTLICHEN INTELLIGENZ

In der Welt der Transceiver ist der Wandel die einzige Konstante – und dank der Fortschritte in der künstlichen Intelligenz stehen wir gerade am Anfang einer grundlegenden Veränderung.

Ich feiere gerade mein 20-jähriges Jubiläum beiCoherent. Wie viele von Ihnen wissen, war Finisar (heute Coherent) ein Pionier im Bereich der steckbaren Transceiver – so sehr, dass der Name Finisar fast zum Synonym für Transceiver wurde.

Von Telekommunikationsnetzen 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 gewandelt.

Heute erleben wir einen weiteren bedeutenden Wandel 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 hier bei Coherent bereits schreiben.

Das ist eine wichtige Geschichte, denn Transceiver sind ein entscheidender, wenn auch unsichtbarer Bestandteil der modernen Welt, in der wir leben. Ob wir es nun bemerken oder nicht – die meisten von uns nutzen täglich Glasfasernetzwerke und Transceiver.

Ein einfaches Beispiel ist die Nutzung einer Suchmaschine. Haben Sie sich jemals gefragt, was zwischen dem Eingeben einer Suchanfrage und dem Erhalt der Ergebnisse passiert? Eine durchschnittliche Suchanfrage legt über das Glasfasernetz Hunderte von Kilometern bis zu einem Rechenzentrum und wieder zurück zurück. Im Rechenzentrum werden für eine einzige Suchanfrage Hunderte von Computern eingesetzt, um eine Antwort zu finden.  Diese Computer sind über Glasfaserkabel miteinander vernetzt. Optische Transceiver übernehmen die wichtige Aufgabe, die elektrischen Signale in optische Signale umzuwandeln und wieder zurück. Wenn Sie also heute eine Suche durchgeführt haben, haben Sie das Glasfasernetz genutzt, und höchstwahrscheinlich wurden die Signale über Coherent übertragen.

Warum Innovationen im Bereich der KI auch Innovationen im Bereich der Vernetzung erfordern

Beginnen wir mit einem kurzen Überblick über die Marktlage.

Ich bin mir sicher, dass die meisten von uns schon einmal von ChatGPT von OpenAI, Bard von Google oder Bing von Microsoft gelesen oder diese Dienste genutzt haben. Tatsächlich wird ChatGPT von OpenAI als die am schnellsten wachsende App der Geschichte bezeichnet, da sie in nur zwei Monaten 100 Millionen Nutzer erreicht hat.

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

Die KI muss anhand eines bestehenden Datensatzes trainiert werden, der Milliarden von Parametern enthalten kann. Dies erfordert erhebliche Rechenleistung, die auf Zehntausende von Prozessoren verteilt ist. Um diesen neuen Anforderungen gerecht zu werden, werden Rechenzentren grundlegend umgestaltet und um Server- und Netzwerkausrüstung erweitert, die speziell für KI und ML vorgesehen ist.

Der vordere Teil des Netzwerks (Ebene 1) behält die herkömmliche Architektur aus Spine-Switches bei, die mit Leaf-/Top-of-Rack-Switches (ToR) verbunden sind. Ein neuer, beschleunigter Rechenbereich des Netzwerks (Ebene 0 oder Backend), der aus KI-/ML-Servern und beschleunigten Rechengeräten besteht, wird neben den herkömmlichen Rechen- und Speicherkomponenten in das bestehende Netzwerk integriert. Optische Verbindungen einschließlich Transceiver kommen auf allen Ebenen dieses Netzwerks zum Einsatz.  

KI-/ML-Server und deren Verbindungsstruktur sowie die Anbindung herkömmlicher Rechen- und Speicherserver führen zu einer Zunahme der optischen Verbindungen in Rechenzentren.

Die Geschwindigkeit von Transceivern ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Netzwerks. Netzwerkveränderungen im Zusammenhang mit KI und ML veranlassen uns und andere Akteure der Branche dazu, Transceiver mit höheren Geschwindigkeiten schneller als je zuvor auf den Markt zu bringen.  Noch vor 20 Jahren lag die höchste Datenrate für optische Transceiver bei 10G. Heute werden mehr als 50 % des Umsatzes Coherentim Bereich Datenkommunikation mit Transceivern mit 200G und höheren Datenraten erzielt.  Angetrieben durch die Anforderungen der zunehmenden Verbreitung von KI und ML werden 800G-Transceiver bereits in Serie ausgeliefert, und wir gehen davon aus, dass die ersten 1,6T-Transceiver in den nächsten Jahren auf den Markt kommen werden. In fünf Jahren wird das Marktpotenzial für 800G- und 1,6T-Datacom-Transceiver voraussichtlich größer sein als das aller anderen Arten von Datacom-Transceivern zusammen, was vor allem auf KI und ML zurückzuführen ist.

Bei Coherent verfügen wir bereits über ein umfassendes Portfolio an Transceivern, die auf die Anforderungen von KI und ML zugeschnitten sind. Diese Transceiver sind protokollunabhängig, was bedeutet, dass dieselbe Transceiver-Hardware sowohl Ethernet und InfiniBand als auch proprietäre Protokolle für KI und ML wie NVIDIAs NVLink unterstützen kann. Coherent weithin als Experte für diese Transceiver und deren Kerntechnologien.

Vertikale Integration → Schnelle Innovation → Schnellere Transceiver

Um die Geschwindigkeit von Transceivern entsprechend zu steigern, waren extrem rasante Innovationen erforderlich. Wie schaffen wir das?

Im Laufe der Jahre haben wir strategische Investitionen getätigt, die uns ein einzigartiges Maß an vertikaler Integration ermöglichen. Wir entwickeln und fertigen nicht nur unsere Transceiver intern, sondern auch viele der Komponenten, darunter Laser, Detektoren und passive optische Bauteile.  Wenn wir einen neuen Transceiver entwickeln, für den eine neue Komponente benötigt wird, beziehen wir diese entweder von einem unserer geschätzten Entwicklungspartner oder entwickeln und fertigen sie intern. Wir entscheiden anhand von Wirtschaftlichkeitsanalysen, Markteinführungszeit und strategischen Überlegungen, was intern und was gemeinsam mit Lieferanten entwickelt wird.

Coherent viele Komponenten für Transceiver selbst. Oben: von Coherent entwickelte integrierte Schaltkreise.

Die Welt durch modernste Datenkommunikationstechnologien verbinden

Als CTO und ehemaliger Leiter unserer Entwicklungsabteilung für Datenkommunikations-Transceiver, die ich 15 Jahre lang geleitet habe, möchte ich Ihnen gerne näher erläutern, wie wir unsere vertikale Integration – und insbesondere eine Reihe modernster Lasertechnologien – nutzen, um die 800G- und 1,6T-Transceiver zu entwickeln, nach denen der Markt zunehmend verlangt.

800G- und 1,6T-Transceiver erfordern Laser mit 100G/Lane bzw. 200G/Lane. Der verwendete Lasertyp hängt von der Datenrate und der Länge der Glasfaserverbindung ab.  Im Allgemeinen sind die Verbindungen im AI/ML-Fabric-Teil des Netzwerks (Level 0) kürzer als 50 m, die Verbindungen zwischen ToR-Switches und Spine-Switches (Level 1) bis zu 500 m lang und die Verbindungen zwischen Switches und Routern oder zwischen Routern (Telekommunikationszugang) zwischen 2 und 10 km lang. Für jede dieser Entfernungen und Anwendungen eignen sich unterschiedliche Lasertechnologien am besten.

Forschungs- und Entwicklungslabor für Coherent in Fremont, Kalifornien.

Für Verbindungsstrecken unter 100 m, einschließlich Level-0-Verbindungen und eines Teils der Level-1-Verbindungen, kommen VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) zum Einsatz. Diese basieren auf unserer Galliumarsenid (GaAs)-Technologieplattform. VCSELs sind in der Regel die kostengünstigste Lösung mit dem geringsten Stromverbrauch und die erste Wahl für Verbindungen unter 100 m.  Wir verzeichnen eine erhebliche Nachfrage nach VCSEL-basierten Transceivern für KI-/ML-Anwendungen.  

Coherent mehrere 6-Zoll-GaAs-VCSEL-Produktionsstätten in den USA und Europa. Wir gehören zu den weltweit führenden Herstellern von VCSELs und liefern diese sowohl für Datenkommunikations- als auch für Verbraucheranwendungen.  Unsere 100G/Lane-VCSELs sind in Produktion, um 400G- und 800G-Transceiver zu unterstützen. Wir arbeiten an 200G/Lane-VCSELs, was erhebliche Änderungen im Design und in der Fertigung der VCSEL-Bauelemente erfordern wird.

Hochgeschwindigkeits-VCSELs, hergestellt auf 6-Zoll-Galliumarsenid-Wafern.

Für Level-1-Switching über Entfernungen, die mit VCSELs nicht mehr abgedeckt werden können, sowie für den Telekommunikationszugang kommen Singlemode-Bauteile zum Einsatz. Diese Bauteile werden aus Indiumphosphid (InP) -Materialien hergestellt. Coherent mehrere InP-Fertigungsstätten 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, mit mehr als zweihundert Millionen Datacom-Lasern, die in den letzten zwei Jahrzehnten im Einsatz waren. Unsere Laser wurden von praktisch jedem Netzwerk-OEM und Web-2.0-Anbieter weltweit qualifiziert und eingesetzt, und wir nutzen diese umfassende Erfahrung, um Laser für Single-Mode-800G- und 1,6T-Transceiver zu entwickeln.

Für Verbindungsstrecken der Stufe 1 von mehr als 100 m können Transceiver auf Basis der Siliziumphotonik verwendet werden.  Alle Produkte der Siliziumphotonik benötigen einen InP-Dauerstrichlaser (CW-Laser) zur Lichterzeugung. Wir bringen diese Laser auf den Markt und planen zudem, sie für unsere eigenen Transceiver-Designs zu nutzen, wie beispielsweise unsere auf Siliziumphotonik basierenden 800G-DR8-Transceiver, die wir im September 2022 auf der European Conference on Optical Communications (ECOC) vorgestellt haben.

Für Level-1-Verbindungen mit einer Länge von mehr als 100 m sowie für Telekommunikationszugänge (2–10 km) könnenAbsorption Laser (EMLs) eingesetzt werden.  Wir fertigen EMLs mit 100 Gbit/s pro Kanal zur Unterstützung von 400G- und 800G-Transceivern, wie beispielsweise unseren EML-basierten 800G-DR8-Transceiver, den wir ebenfalls auf der ECOC 2022 vorstellten. Ebenfalls auf der ECOC stellten wir unseren EML mit 200 Gbit/s pro Kanal vor, für den wir den Lightwave Innovation Reviews Award erhielten .

Mit Blick auf die kommenden 200G/Lane-Transceiver stellt das Erreichen einer Reichweite von 10 km selbst mit EMLs eine große Herausforderung dar. Für diese Anwendung sind wir begeistert von unserer neuesten, bahnbrechenden Lasertechnologie DFB-MZ, was für „Distributed Feedback Laser with Mach-Zehnder“ steht.  Es handelt sich dabei um einen InP-CW-Laser, der monolithisch mit einem InP-Mach-Zehnder-Modulator integriert ist. Diese Lasertechnologie 1,6-T-Transceiver mit einer Reichweite von bis zu 10 km ermöglichen. Dies ist zweifellos der aktuelle Stand der Technik bei Lasertechnologie.

Coherent auf der OFC 2023 eine monolithisch integrierte 200G-PAM4-Technologie Coherent , die auf einem Laser mit verteilter Rückkopplung und einem Mach-Zehnder-Modulator basiert.

Unser Versprechen: Innovation im Zeitalter der KI vorantreiben

Es besteht kein Zweifel daran, dass wir in das Zeitalter der KI eintreten. Tatsächlich befinden wir uns bereits mitten darin. Bei Coherent ist es unser Versprechen als Innovationsführer, unsere Kunden durch unsere bahnbrechenden Technologien in die Lage zu versetzen, die Zukunft mitzugestalten.

Als seit über zwei Jahrzehnten führender Anbieter von Datenkommunikations-Transceivern wollen wir auch weiterhin innovativ sein, unsere technologische Führungsposition behaupten und unseren Kunden skalierbare Lösungen liefern, damit sie Rechenzentren aufbauen können, die ihren Anforderungen entsprechen. Wir freuen uns, Teil der Hardware-Lösung zu sein, die dazu beiträgt, das Potenzial von KI und ML voll auszuschöpfen. Und nach 20 Jahren bin ich, ob Sie es glauben oder nicht, immer noch genauso begeistert wie am Anfang, in dieser schnelllebigen und einflussreichen Welt der optischen Kommunikation zu arbeiten .

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