Datacenters efficiënter met slimme schakelaars en fotonica

Datacenters moeten exponentieel toenemende hoeveelheden informatie verwerken. En nu zijn de centers in Nederland al goed voor 2% van het totale nationale elektriciteitsverbruik – ongeveer 2 Terawattuur per jaar. Om energie – en kosten – te besparen, richt Guelbenzu zich op het verbeteren van het netwerk dat alle servers binnen het datacenter met elkaar verbindt. Daar vindt het grootste deel van het dataverkeer plaats en daar treden de grootste problemen op.

De informatie die datacenters verwerken, reist via snelle optische netwerken van server naar server. Daar transformeren zenderontvangers de optische datasignalen in elektrische signalen, zodat deze kunnen worden opgeslagen, herverdeeld of anderszins verwerkt door elektronische schakelaars. Het eerste dat Guelbenzu deed, was deze schakelaars verkleinen: hij demonstreerde een prototype schakelaar die 4 x 128 poorten aankan, met een bandbreedte van 5,12 Terabit per seconde. Daarmee is zijn schakelaar een van de meest compacte ter wereld.

Vier keer zoveel schakelaars

In zijn ontwerp kan Guelbenzu vier energiebesparende schakelaars plaatsen op hetzelfde oppervlak dat nu een enkele standaard schakelaar inneemt. "Dit betekent dat je vier keer zoveel informatie kunt verwerken in dezelfde ruimte, terwijl je slechts twee keer zoveel energie verbruikt", legt hij uit. Hiervoor was de belangrijkste ontwerpkeuze van de promovendus om een ander type zenderontvangers te gebruiken.

Standaardschakelaars hebben aan de voorkant een aantal zenderontvangers met een fiberingang, waarmee de optische vezels op de rackunit worden aangesloten. Het oppervlak van het voorpaneel van de rackunit beperkt de hoeveelheid zenderontvangers die erin passen. "Door inbouw zenderontvangers te gebruiken en die zo dicht mogelijk bij de processor van de schakelaar te plaatsen, kunnen we niet alleen het aantal poorten vergroten, maar ook verliezen verminderen, aangezien het elektrische signaal kortere afstanden hoeft af te leggen naar de schakelchip."

Naast de schakelaar heeft de elektrotechnisch ingenieur ook een analytisch model gemaakt dat verschillende netwerkopstellingen vergelijkt op het gebied van energieverbruik, kosten en het benodigde aantal schakelaars, zenderontvangers en glasvezels. Het model onderzoekt op die manier de introductie van optische schakeltechnieken en zogenaamde wavelength division multiplexing-technologieën in hybride datacenters, die bestaan uit een combinatie van elektrische en optische componenten.

Aanzienlijke besparingen

Hij gebruikte dit model om te verkennen wat gebeurt als je hedendaagse fotonische schakelaars en wavelength division multiplexing-technologieën zou introduceren in datacenternetwerken. "In het geval van 25 Gigabit/s-schakelaars, die in de praktijk steeds vaker voorkomen, leidt de introductie van een maximaal aantal fotonische schakelaars tot een besparing van 45% in schakelaars, 60% in zenderontvangers, 50% in glasvezels, 55% in energieverbruik en 48% in kosten."

Klein hybride datacenter

Tot slot toonde hij aan dat de integratie van deze technologieën ook daadwerkelijk praktisch mogelijk is door een werkend kleinschalig hybride datacenter te bouwen.