Группа ученых из Института исследований сетевых систем Национального института информационных и коммуникационных технологий (NICT) в Японии под руководством Георга Радемахера (NOKIA Bell Labs), Николя Фонтена и Пьера Силларда (Prysimian Group), впервые в мире смогли передать данные по многомодовому оптическому волокну со скоростью более 1 Пбит/с. Для передачи данных на расстояние 23 км было использовано 15-модовое волокно с широкой полосой пропускания со специальными мультиплексорами для спектрального уплотнения сигнала.

За последнее десятилетие во всем мире проводились интенсивные исследования по увеличению скорости передачи данных по оптоволокну, чтобы удовлетворить экспоненциально растущие требования к каналам связи между крупными дата-центрами. По сравнению с многожильными оптическими кабелями, одножильные многомодовые кабели могут поддерживать более высокую плотность сигнала и их легче производить, однако для мультиплексированной передачи с пространственным разделением и большой пропускной способностью требует использования сложных вычислительных устройств для обработки сигнала.

В NICT был проведен эксперимент по передаче данных, в котором использовалось 125-мк оптоволокно производства Prysmian и многомодовые мультиплексоры, разработанные Bell Labs. Широкополосный приемопередатчик был разработан в NICT для работы с несколькими сотнями каналами WDM, обеспечивая при этом высокое качество сигнала. Принцип работы новых мультиплексоров основан на многоплоскостном процессе преобразования света, при котором 15 входных сигналов многократно отражаются от фазовой пластины, чтобы соответствовать режимам передачи для соответствующего оптоволокна.

Оптоволокно с технологией градиентного преломления имело длину 23 км, для его создания были использованы существующие технологии для многомодовых волокон, с оптимизацией для широкополосной работы. При проведении эксперимента была зафиксирована скорость передачи данных более 1 Пбит/с, что в 2,5 раза больше, чем предыдущие рекорды скорости. Обычно при увеличении количества режимов в многомодовой оптоволоконной системе значительно возрастает модальная задержка из-за высокой нагрузки при обработке сигнала, но в случае с оптоволокном Prysmian удалось свести ее к минимуму, что позволило продемонстрировать передачу 382 каналов с модуляцией 64-QAM.

В будущем исследователи хотели бы увеличить дальность передачи данных, модернизировав приемопередатчики и оптоволокно. Команда ученых из NICT надеется, что экспериментальная технология по передаче данных со скоростью более 1 Пбит/с будет развиваться дальше и дойдет до серийного производства в ближайшие годы. Ранее в NICT поставили другой рекорд, достигнув скорости 10,66 Пбит/с при передаче данных на расстояние 13 км. Однако в этом случае использовалось нестандартное волокно с увеличенным диаметром сердцевины и 38 многомодовывми «ядрами».

Современная индустрия компьютерных сетей хоть и не имеет отношения к спорту, но с ним её всё же роднит одно — рекорды. Ещё недавно предельной скоростью для одного потока данных было 400 Гбит/с, но это достижение удалось превзойти более чем в три раза.

На прошедшей в прошлом месяце конференции Optical Fiber Communications 2020 было объявлено о достижении двух новых рекордов в области передачи данных, и эти цифры впечатляют.

Команда Японского Национального института информационных и коммуникационных технологий (NICT) регулярно обновляет рекорды скорости передачи данных. Они уже показали экспериментальную сеть 1 Пбит/с, а позже им удалось достичь показателя 10,66 Пбит/с. Правда, в последнем случае речь идёт о линии длиной всего 13 км и особом кабеле. 

Ну а в этот раз они достигли скорость 172 Тбит/с при использовании одного мультиядерного оптоволоконного кабеля. Это выше совокупного показателя всех волокон в наиболее производительном подводном кабеле, используемом сегодня. Предыдущий рекорд составляет 159 Тбит/с; казалось бы, новый показатель ненамного выше, но стоит учесть и возросшую вдвое дистанцию тестовой передачи — 2040 против 1045 километров. 

Сети нуждаются в пропускной способности, особенно сейчас, в обстановке эпидемии, вынуждающей многих заменять личное присутствие удалённым. Но оптоволоконные технологии вплотную подошли к пределу Шеннона. Стандартное 125-мкм оптоволокно, используемое в подводных и просто протяжённых линиях связи, содержит пять ядер, поскольку при расстоянии менее 40 микрон между ними неприемлемо возрастает уровень перекрёстных помех, а увеличение диаметра волокна делает его негибким и усложняет конструкцию кабеля.

Ответом на этот вызов может стать новая технология, в которой взаимное влияние оптических ядер в волокне создаётся намеренно (т.н. close-coupled fiber) и начинается оно уже с первых метров передачи. Это похоже на многомодовую технологию, но требует более простой MIMO-обработки. Перспективы у технологии многообещающие: трёхъядерный кабель с диаметром волокна 125 микрон длиной 80 километров успешно передавал 24,5-гигабодовый сигнал с модуляцией 16-QAM по 359 каналам.

Для симуляции линии дальней связи длиной 2040 км сигнал несколько раз запускался по кругу с помощью оптического усилителя.  Совокупная скорость передачи данных при этом составила 172 Тбит/с. Да, существуют и более скоростные кабели, но они используют волокна большего диаметра с большим количеством оптических «ядер»; пока такие разработки не вышли из стен лабораторий. Рекорд для коммерчески доступной системы принадлежит Pacific Light Cable Network, но для достижения скорости 144 Тбит/с он требует использования шести пар волокон.

Другой рекорд поставлен лабораторией Nokia Bell Labs. Ранее в прошлом году на аналогичной конференции были продемонстрированы примеры сетевых соединений для коммерческих ЦОД со скоростью 400 Гбит/с и объявлено о стремлении к отметке 800 Гбит/с, а в этом году компания отчиталась об успешных лабораторных испытаниях линка со скоростью 1,52 Тбит/с, причём, с использованием стандартного одномодового волокна. В достижении такой скорости помог новый кремниево-германиевый (SiGe) трансивер.

Прототип был изготовлен компанией Micram Microelectronic на основе высокоскоростных биполярных транзисторов и 55-нм техпроцесса CMOS. С помощью новых эрбиевых оптических усилителей на симулированной дистанции 240 километров удалось достичь скорости 1,46 Тбит/с; поставлена цель достичь полновесных 1,6 Тбит/с. Достижение таких показателей должно как повысить эффективность использования существующей инфраструктуры, так и снизить стоимость новой — и оба пункта очень важны, ведь значимость компьютерных сетей сейчас как никогда высока.

Осенью прошлого года японский институт NICT продемонстрировал первый в мире рабочий прототип сети с пропускной способностью 1 Пбит/с. По оценкам учёных, занятых в проекте, такая сеть позволит снабжать 10 миллионов пользователей трансляцией видео в формате 8K.

Но, как выяснилось на днях, это не предел для оптоволоконных сред передачи данных. Этот же институт доказал возможность передачи данных со скоростью более 10 Пбит/с. Такая цифра наверняка обрадует крупных магистральных провайдеров.

NICT активно ведёт разработку новых высокопроизводительных оптоволоконных сред и на его счету ряд интересных достижений: ещё в 2015 году в стенах NICT были разработаны «многоядерные» одно-и многомодовые кабели. Одномодовая версия с 22 проводящими «ядрами» показала производительность 2,15 Пбит/с.

А 14 февраля NICT совместно с компаниями Sumitomo Electric и Optoquest объявили о достижении нового мирового рекорда — скорости передачи данных на уровне 10,66 Пбит/с.

Для этого был использован новый трёхмодовый кабель с 38 «ядрами», сигнал модулировался с использованием методов 64QAM и 256QAM. За разработку нового типа кабеля ответственна компания Sumitomo Electric, 38-канальный мультиплексор для него был разработан Optoquest. Задача весьма непростая, поскольку взаимное влияние передаваемых одновременно сигналов в таких средах требует серьезной цифровой обработки. Для того, чтобы снизить вычислительную нагрузку на DSP, разработчики ввели межмодовую временную задержку, составляющую от 0,6 до 3 наносекунд.

Схема новой экспериментальной установки NICT

Хотя это и экспериментальная система, она имеет достаточно серьёзные масштабы — длина линии передачи данных составила 13 километров. Достигнутая скорость на два порядка превышает показатели широко распространённых сегодня коммерческих решений.

NICT собирается представить своё достижение на конференции Optical Fiber Communication Conference, которая откроется 8 марта в США в городе Сан-Диего. Также институт собирается продолжить работу в данном направлении и приложит все силы к практической реализации новых технологий высокоскоростной передачи данных.

По данным DigiTimes, рынок сетевого оборудования имеет два основных крупных сегмента: ЦОД и корпоративные системы. И там, и там пока доминирует стандарт 25GbE. Но с ростом популярности сервисов ИИ, мультимедиа и потокового вещания высокого разрешения заказчики будут нуждаться во всё более быстрых сетях. На данный момент существуют премиум-решения класса 400GbE, через пару лет сети «дорастут» до 800GbE, а уже сейчас Cisco Acacia обещает довести скорость до 1200 Гбит/с на волокно.

Но и этого мало. DARPA в рамках проекта FastNIC работает над сетями, которые будут в 100 раз быстрее нынешних. На первых порах планируется освоить 2 Тбит/с, а дальний прицел взят на уровне 10+ Тбит/с. Нужно это для устранения дисбаланса, так как современные многопроцессорные системы вполне способны «переварить» потоки данных со скоростью порядка 100 Тбит/с. И сеть для них стала узким местом. 

Экспериментальная установка в лаборатории NICT

И это лишь один из аспектов проблемы. На более глобальном уровне вопрос также стоит остро: количество устройств и пользователей во всемирной сети постоянно растёт, растут и скорости подключения, и объёмы передаваемой ими информации. Об этом беспокоятся как локальные, так и магистральные провайдеры, поскольку пропускная способность опорных сетей (backbone) не бесконечна и её расширение может не успевать за ростом трафика. Особенно при внедрении сетей 5G. Но просвет, похоже, есть.

Сценарии, использованные группой из NICT

Настоящего прорыва в области скоростной коммутации и передачи данных на днях удалось добиться исследователям из японского Национального института информационных и коммуникационных технологий (NICT). Они смогли разработать, воплотить «в металл» и успешно испытать первый в мире систему, способную «переварить» поток в 1 Пбит/с (128 Тбайт/с). По их оценкам такая скорость позволяет одновременно снабжать 10 миллионов человек видеопотоками в формате 8K.

Конфигурация сети в различных сценариях

Разумеется, речь идёт об оптических технологиях, поскольку «на меди» добиться подобных скоростей вряд ли возможно. Тестовая система, использовавшая новейшие достижения в области микромеханики (MEMS-чипы), успешно доказала работоспособность с потоками от 10 Тбит/с до 1 Пбит/с.

Это более чем в 100 превосходит возможности широкодоступных сегодня сетевых технологий. Стоит отметить, что 1 Пбит/с — не монолитный поток по одному оптическому каналу (пусть и с 22-ядерными волокнами), а  объединение нескольких потоков со скоростью 245 Гбит/с на 202 различных длинах волн.

Результаты испытаний, часть 1

Впервые пробной передачи петабитного потока учёным из NICT удалось достичь ещё в сентябре 2015 года. На доведение технологии до ума ушло четыре года. До промышленного применения путь, конечно, долгий, но само достижение весьма важно. Об этом свидетельствует и то, что оно было удостоено отдельной презентации вне графика на 45-ой европейской конференции по оптическим коммуникациям (ECOC 2019).

Результаты испытаний, часть 2

Основных тестовых сценариев было четыре: в первом доказывалась сама возможность коммутации на скорости 1 Пбит/с, во втором учёные убедились в возможности реализации отказоустойчивости для сетей нового класса.

Различные типы пространственного разделения в оптическом волокне

Третий сценарий предусматривал «встречу» в единой сети разных типов оптических кабелей с разными скоростями передачи данных. Наконец, в четвертом сценарии была доказана применимость сетей с такой пропускной способностью для передачи многочисленных потоков со скоростями в районе 10 Тбит/с.

Новые быстрые сети нужны буквально всем, от магистральных провайдеров и телекоммуникационных корпораций до разработчиков высокопроизводительных кластерных систем, и NICT планирует продолжить работу в этой области, активно сотрудничая с телекоммуникационной индустрией, а также научными и правительственными организациями.