The Data Center Evolution: How to Overcome its cabling challenges

Por Ron Gruen e Russell Kirkland, Corning Incorporated
Presente na Cabling Installation & Maintenance em julho de 2018

A tecnologia dentro do data center está mudando. Mas antes de gastarmos tempo discutindo como, precisamos primeiro começar com o porquê. Em 2017, quase um quarto de bilhão de usuários se conectaram à Internet pela primeira vez, e o número de usuários já havia aumentado 7% em 2018. As redes sociais recebem 11 novos usuários por segundo, e estima-se que uma pessoa passe, em média, pelo menos seis horas por dia on-line. Espera-se que em 2020 haja cerca de seis a sete dispositivos por pessoa em todo o mundo e, somente nos EUA, esse número sobe para 13. Então, por que isso é importante?

A resposta é simples: receita. Quase todas as empresas possuem sites para atrair e interagir com seus clientes, e o comércio eletrônico lucrou quase US$ 1,5 trilhão em 2017. Se sua página na Internet leva mais de três segundos para carregar, você pode estar perdendo quase um quarto dos visitantes. Apenas um segundo de atraso equivale a uma perda de 11% de visualizações e uma redução de 7% nas conversões. Um estudo conduzido pela Ericsson mostrou que alguns segundos de buffer de vídeo podem desencadear o mesmo aumento nos níveis de ansiedade que assistir a um filme de terror sozinho ou tentar resolver problemas matemáticos complexos. Tudo isso se traduz na necessidade de conexões mais rápidas e maior capacidade.

A atividade do servidor aumentou nos últimos anos, e espera-se que esse aumento continue. A velocidade do servidor impulsiona as vendas e o desenvolvimento do transceptor. Como você pode ver na Figura 1, as conexões 1G estão rapidamente se tornando relíquias e, em breve, as conexões 10G também desaparecerão. Os transceptores de 25G estão atualmente presentes no mercado, mas devem ser superados pelos de 50G nos próximos anos. Além disso, espera-se que muitos data centers em hiperescala e em nuvem sejam os primeiros a adotar as velocidades 100G de servidor. Essas velocidades mais altas de servidor podem ser suportadas por transceptores de 2 fibras de taxas de dados iguais ou transceptores ópticos paralelos de 40, 200, 100 e 400G no switch, utilizando óptica paralela e recursos de divisão.

Os fabricantes de transceptores usam várias tecnologias diferentes para atingir essas taxas de dados sempre crescentes. Quer a conexão entre os transceptores seja feita com fibra multimodo ou monomodo, essas diferentes tecnologias contam com as mesmas ferramentas básicas. A primeira e mais simples é apenas aumentar a taxa de transmissão. Em outras palavras, é apenas a velocidade com a qual você pode ligar ou desligar o laser. Este primeiro método funciona bem para taxas de dados mais baixas, como 10G, mas se torna problemático em taxas de dados mais altas, onde a relação sinal-ruído começa a se tornar um problema.

A próxima opção é aumentar o número de fibras. Onde você usou duas fibras para criar uma conexão 10G ou 25G, agora você pode usar oito para criar uma conexão 40G ou 100G, utilizando vários pares em um cenário de transmissão paralela. Em seguida, podemos apenas aumentar o número de comprimentos de onda. Isso é feito usando várias fontes, multiplexando o sinal em uma única fibra e demultiplexando-o assim que é recebido. Isso é mais comumente referido como WDM, ou multiplexação por divisão de onda.

Outro método para obter taxas de dados mais altas é alterar o formato da modulação. Em vez de usar um simples código sem retorno a zero ou NRZ, o transceptor pode usar a modulação por amplitude de pulso (do inglês PAM4) para transportar quatro vezes a quantidade de dados no mesmo intervalo de tempo. Taxas de dados mais altas, estejam elas usando NRZ ou PAM4, exigem algum tipo de algoritmo de correção de erro direto. Como o ruído tem um impacto muito maior na PAM4, ele exige um algoritmo FEC mais complexo. Independentemente de qual desses métodos é usado, no final, você está olhando para uma solução de 2 ou 8 fibras. Existem algumas soluções 400G iniciais que podem usar 16 ou 32 fibras, mas qualquer uma delas pode ser obtida usando uma infraestrutura de 8 fibras (base-8).

Escolher uma solução duplex (2 fibras) em vez de paralela (8 fibras) pode parecer simples quando se observa como os transceptores são tradicionalmente conectados, mas levaremos algum tempo para explorar as duas opções. Avaliaremos cada opção no que se refere a preço, consumo de energia, densidade e flexibilidade.

Para data centers corporativos, o comprimento médio do enlace é de 49 metros, e mais de 90% dos enlaces tem menos de 100 metros. Portanto, para a maioria dos data centers, a fibra multimodo e a óptica associada são suficientes para a maioria dos enlaces. Para enlaces maiores que 100 metros, enlaces monomodo ópticos paralelos são uma opção válida. Além disso, os preços das ópticas PSM4 e SR4 são comparáveis. Por esse motivo, a maioria dos data centers em hiperescala e em nuvem emprega enlaces monomodo quase que exclusivamente. Para conexões duplex, novos componentes devem ser desenvolvidos para atingir taxas de dados mais altas. Em contrapartida, as conexões ópticas paralelas utilizam tecnologias existentes para construir transceptores de próxima geração. Além disso, a óptica paralela pode utilizar quatro lasers não resfriados ou um único laser acoplado a um divisor de guia de ondas e quatro moduladores. Esses atributos não apenas tornam sua fabricação mais barata, mas também reduzem o consumo geral de energia.

A maioria dos proprietários e gerentes de data centers concorda que a energia é de longe a maior despesa operacional em um data center. Por esse motivo, qualquer redução no consumo de energia terá um grande impacto no opex geral. Uma única conexão 10G utiliza 1W de potência. Em contrapartida, uma óptica paralela de 40G consome 1,5W de energia. Como uma solução óptica paralela oferece quatro enlaces de 10G por transceptor, você pode obter o mesmo número de conexões 10G com 60% de economia de energia. Outro ponto a ser levado em consideração é o custo do resfriamento. Como regra geral, para cada 1 kW de potência consumida por seus eletrônicos, você precisa de 1 kW de resfriamento. Portanto, a redução no consumo de energia dos eletrônicos também se traduz em uma redução no consumo de energia devido ao resfriamento.

O uso de enlaces ópticos paralelos também ajuda a reduzir o custo total de propriedade (do inglês TCO), fornecendo uma solução significativamente mais densa. A maioria das placas de linha de switch SFP+ de alta densidade é normalmente oferecida em no máximo 48 portas. É possível adquirir uma placa de linha QSFP de alta densidade com 36 portas. Se essa placa de linha for operada no modo de divisão, cada uma dessas portas agora pode ser usada como quatro portas 10G. Portanto, com uma única placa de linha QSFP, você pode suportar até 144 enlaces 10G. Isso triplica a densidade do seu switch, diminuindo, assim, o número de placas de linha necessárias para dar suporte à sua rede. Isso se traduz no menor número de fontes de alimentação, bandejas de ventiladores, supervisores, controladores de sistema, módulos de malha e licenças de software. Como resultado, a implantação de um sistema que utiliza óptica paralela custa 85% menos em comparação com a implantação de um sistema que usa portas 10G discretas. Essa redução no número de chassis e placas de linha cria uma economia adicional de energia e refrigeração de aproximadamente 67%.

Para utilizar qualquer um desses atributos de economia de custos, seu sistema de cabeamento estruturado deve ser configurado para suportar uma conexão de 8 fibras. Usar um sistema de cabeamento estruturado base-8 proporciona mais flexibilidade no projeto do sistema e um caminho de migração mais claro para taxas de dados mais altas. Se tiver empregado óptica paralela para atingir densidade máxima e economia de energia, agora você tem um caminho livre para atualizar seu sistema. À medida que a rede é migrada de divisão 10/25G para nativa 40/100G, a óptica 40/100G existente e as placas de linha usadas no modo de divisão podem continuar a ser usadas para operar os enlaces nativos de 40/100G. Agora você tem a capacidade de duas gerações de velocidade de switches, placas de linha e transceptores ópticos paralelos associados.

Conforme os data centers continuam a crescer, os gerentes de data centers se deparam com muitas preocupações. Algumas delas já foram discutidas, mas esse crescimento também afeta a infraestrutura de cabeamento que suporta essas tecnologias agora e no futuro. A infraestrutura de cabeamento precisa atender às demandas de prazos de implantação, ser fácil de instalar, sem receio de ser demasiadamente complexa e ainda ter a capacidade de ser facilmente atualizada para atender às necessidades de um ambiente rico em tecnologia. Em outras palavras, a infraestrutura de cabeamento precisa ser confiável (tempo de atividade de 24 horas por dia x 7 dias na semana x 365 dias no ano), flexível (modular para acomodar mudanças) e escalonável (suportar o crescimento do data center).

A implantação de cabeamento estruturado não é um conceito novo. Os ambientes de data center continuam a se distanciar da prática de aplicação de patches e conexão de equipamentos à medida que são instalados. Os sistemas de cabeamento óptico do data center utilizam conectores multifibras, conhecidos como troncos pré-terminados. Normalmente, os troncos pré-terminados possuem de 12 a 144 fibras e são usados para conectar diferentes áreas do data center. Mas a pegada cada vez maior do data center e as arquiteturas de rede em constante implantação estão fazendo com que esses tamanhos de tronco típicos sejam insuficientes. Esses troncos agora precisam ter contagens de 288, 432 e até 576 fibras em uma montagem classificada para uso interno. O uso de troncos de alta contagem de fibras permitirá uma maior densidade de fibra nas vias dos cabos. Troncos maiores também podem reduzir o tempo de implantação necessário, reduzindo o número de extensões de cabo. A redução da tração do cabo também reduz o custo geral de instalação.

A Figura 4 descreve a densidade da fibra para três cenários de implantação diferentes.

4.440 fibras totais utilizando troncos MTP®-para-MTP EDGE™ de 370 x 12 fibras

13.680 fibras totais utilizando troncos MTP-para-MTP EDGE de 95 x 144 fibras

16.128 fibras totais utilizando troncos MTP-para-MTP EDGE de 56 x 288 fibras

Os data centers estão começando a crescer além dos limites de um único prédio ou data hall. Os maiores data centers estão crescendo para incluir vários edifícios, e esses ambientes de campus exigem que a infraestrutura de cabeamento inclua troncos de conector multifibra pré-terminados ou instalações de cabos em grandes volumes. Esses troncos pigtail que utilizam cabos internos/externos podem ter contagens de até 864 fibras. Os requisitos de conectividade estão empurrando as contagens de fibra de cabo em grandes volumes para além de 864 fibras, até 1.728 e 3.456 fibras.

Várias soluções podem ser implantadas para atender aos requisitos de alta contagem de fibras. Discutiremos três opções que podem ser utilizadas dependendo do ambiente de instalação. A única constante em todos esses cenários será o uso de conectores multifibras. Esses conectores resultam em tempos de instalação mais rápidos e fornecem um caminho de transceptores de 2 fibras para transceptores de 8 fibras. A utilização de cabeamento estruturado e conectores multifibras permitirá a implantação de aplicações de divisão que podem reduzir o TCO.

Os troncos multifibras são implantados ao conectar áreas dentro de um data center. Por exemplo, a área de distribuição principal (do inglês MDA) para a área de distribuição horizontal (do inglês HDA) ou para a área de distribuição de equipamento (do inglês EDA). Os troncos serão dispostos em uma carcaça de distribuição de fibra com os conectores multifibras do tronco para um módulo ou painel adaptador com a carcaça. Isso permite que sejam feitas conexões ao componente ativo por meio de um jumper. Os troncos MTP são implantados em uma sala do data center, mas podem ser transportados para salas adjacentes se as vias permitirem a passagem de uma alça de tração que abrigue o conector multifibra e os proteja. Uma coisa importante a se ter em mente é que a implantação desses troncos exige um planejamento cuidadoso, para garantir comprimentos adequados dos troncos e alcançar as vias desobstruídas.

Os troncos pigtail são implantados em uma das seguintes duas aplicações.

1. Quando há uma via (duto) congestionada, as alças de tração não podem ser puxadas por ela.
2. Ao conectar salas de data center de andares diferentes de um edifício ou edifícios diferentes em um campus de data center.

Além das aplicações anteriores, um tronco pigtail pode ser desejável se as distâncias exatas entre duas áreas do data center não forem exatamente conhecidas.

Depois que os troncos pigtail são puxados, etapas adicionais são necessárias para prepará-los para a terminação. Essas etapas incluem acessar o cabo para expor a fibra e furcar o cabeamento para proteger as fibras na parte traseira das carcaças de distribuição de fibra. A extremidade desencapada do cabo terminará com conectores de emendas multifibras, montagens com pigtail, cassetes com pigtail ou uma carcaça pré-pinada.

Os cabos de alta contagem de fibras utilizam fibra em fita para maximizar a densidade da fibra em um cabo. Os cabos de fita possuem pequeno diâmetro externo (DE) em comparação com a densidade da fibra, o que permite que sejam implantados em vias congestionadas. Conforme mencionado anteriormente, esses cabos podem conter 864, 1728 e 3456 fibras.

A terminação desses cabos pode ser executada usando conectores multifibras, montagens com pigtail, cassetes com pigtail ou uma carcaça pré-pinada. Esses tipos de implantações podem resultar em maior tempo de implantação em comparação com cabos pré-terminados. Isso ocorre porque as duas extremidades do cabo precisam ser preparadas para terminação com kits de furca, que protegem a fibra de fita na carcaça de distribuição de fibra. O desempenho óptico dos cabos terminados em campo pode não ser tão bom quanto os cabos pré-terminados de fábrica.

Discutimos muitos dos tópicos que os gerentes de data center devem considerar ao planejar um novo data center. Como o tamanho dos data centers continua a crescer, esses tópicos apenas tornam o planejamento mais desafiador. Mas estar ciente das crescentes mudanças tecnológicas e dos requisitos futuros do data center pode tornar o processo de projeto do data center mais gratificante, além de aumentar o TCO.