Điện toán đám mây và điện toán biên: Công xưởng dữ liệu thông tin

Gần đây, giảm tải xử lý dữ liệu cho các máy chủ ngoài đang trở thành xu hướng. Các trung tâm dữ liệu siêu quy mô được hình thành ở khắp nơi trên thế giới để hỗ trợ các mạng điện toán đám mây. Các trung tâm dữ liệu nhỏ hơn dành cho điện toán biên cũng trở nên phổ biến, phục vụ các ứng dụng đòi hỏi thời gian trễ thấp. Các trung tâm dữ liệu đã trở thành “công xưởng thông tin”, cung cấp tài nguyên điện toán mạnh mẽ cho các ứng dụng có nhu cầu cao.

Hình 1. Phương tiện vận chuyển tự hành trình diễn các lợi ích của điện toán biên.

Sức hấp dẫn của điện toán biên đến từ những tác động của nó tới thị trường phương tiện vận chuyển tự hành (AV). Thay vì phải đặt một siêu máy tính trong phương tiện để xử lý dữ liệu cảm biến, AV sử dụng các máy chủ nhỏ hơn ở “vùng biên”, giúp giảm đáng kể độ trễ. Các ứng dụng điện toán đám mây bao gồm từ việc điều khiển rô-bốt nhà máy đến phục vụ hàng nghìn người dùng VR trong vũ trụ ảo (metaverse). Tốc độ của các trung tâm dữ liệu 400G ngày nay vẫn chưa đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu của nhiều ứng dụng mới nổi, vì vậy thị trường kết nối mạng đang hướng tới tốc độ 1,6T.

Bên trong trung tâm dữ liệu

Các bộ thu phát lớp vật lý trong mạng của trung tâm dữ liệu hiện đang tuân thủ các tiêu chuẩn của Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE) và Diễn đàn liên kết mạng quang (OIF). Cả hai tổ chức tiêu chuẩn này đều xác định khả năng tương tác của từng giao diện trong trung tâm dữ liệu. Tại thời điểm bài báo này được viết, các tiêu chuẩn mới nhất là IEEE 802.3ck (mạng trên các luồng 100 Gb/s) và OIF CEI-112G (xác định tốc độ 112 Gb/s).

Hình 2. Giao diện máy chủ trung tâm dữ liệu theo tiêu chuẩn OIF CEI và IEEE. (Hình do Tony Chan Carusone, Alphawave IP, cung cấp)

Những sáng tạo và thách thức đối với 800G/1,6T

Trong vài thập kỷ qua, tốc độ Ethernet đã tăng lên đáng kể, đạt 400 Gb/s trên bốn luồng PAM4 56 GBaud (GBd). Theo dự kiến, tốc độ kết nối sẽ tăng gấp đôi trong vài năm tới.

Hình 3. Tốc độ Ethernet theo thời gian, từ tiêu chuẩn IEEE 802.3 đầu tiên.

Thế hệ (tiêu chuẩn) 800G đầu tiên có thể sẽ bao gồm tám luồng 112 Gb/s với tổng tốc độ dữ liệu tổng hợp là 800 Gb/s. Tuy nhiên, hiệu quả sẽ được nâng cao khi tăng tốc độ dữ liệu trên mỗi luồng (từ 112 Gb/s lên 224 Gb/s). IEEE và OIF sẽ xem xét ưu nhược điểm của từng phương pháp triển khai khi xác định các tiêu chuẩn 800G và 1,6T.

Một số thách thức và giải pháp tiềm năng để đạt tốc độ luồng 224 Gb/s bao gồm:

Bán dẫn trong thiết bị chuyển mạch

Chip bán dẫn chuyển mạch kết nối mạng thực hiện chuyển mạch giữa các phần tử trong trung tâm dữ liệu với độ trễ thấp. Từ năm 2010 đến năm 2022, băng thông bộ xử lý của bộ chuyển mạch đã tăng từ 640 Gb/s lên 51,2 Tb/s sau nhiều cải tiến trong công nghệ xử lý bán dẫn oxit kim loại bù (CMOS). Thế hệ sau của bán dẫn chuyển mạch sẽ một lần nữa tăng gấp đôi băng thông lên 102,4T. Các thiết bị chuyển mạch bán dẫn này sẽ hỗ trợ 800G và 1,6T trên các luồng 224 Gb/s.

Sửa lỗi trước

Sửa lỗi trước (FEC) là kỹ thuật truyền dữ liệu bổ sung để giúp bộ thu khôi phục tín hiệu từ các bit lỗi. Các thuật toán FEC có thể khôi phục các khung dữ liệu từ các lỗi ngẫu nhiên, nhưng gặp khó khăn khi sửa lỗi chùm (burst) khi mất toàn bộ khung. Mỗi kiến trúc FEC đều có ưu nhược điểm về độ tăng ích mã hóa, bit mào đầu overhead, độ trễ và hiệu suất tiêu thụ năng lượng. Trong các hệ thống 224 Gb/s, cần có các thuật toán FEC phức tạp hơn để giảm thiểu lỗi chùm.

Hình 4. Các loại kiến trúc FEC và ưu nhược điểm của chúng. (Hình do Cathy Liu, Broadcom Inc., cung cấp)

Mô-đun quang và hiệu suất năng lượng

Thách thức khó khăn nhất đối với các trung tâm dữ liệu là tiêu thụ điện năng. Mức tiêu thụ điện năng của mô-đun quang tăng theo từng thế hệ. Trong quá trình hoàn thiện, thiết kế của mô-đun quang dần trở nên hiệu quả hơn, giảm dần mức tiêu thụ điện năng trên mỗi bit. Tuy nhiên, khi trong mỗi trung tâm dữ liệu có trung bình 50.000 mô-đun quang, mức tiêu thụ điện năng trung bình cao của các mô-đun vẫn là một vấn đề đáng lo ngại. Lắp ráp chung linh kiện quang có thể giảm mức tiêu thụ điện năng trên mỗi mô-đun, đưa quá trình chuyển đổi quang điện vào trong chip, tuy nhiên nhu cầu làm mát mô-đun vẫn cần đáp ứng.

Hình 5. Xu hướng tiêu thụ điện năng của các mô-đun quang. (Hình do Supriyo Dey, Eoptolink, cung cấp)

Hình 6. Các mô-đun quang cắm được và lắp ráp trên cùng chip. (Hình do Tony Chan Carusone, Alphawave IP, cung cấp)

Khởi động 1,6T

Giao diện 800G sắp tới sẽ dựa trên nền tảng được IEEE và OIF thiết lập với 400G. Chíp bán dẫn chuyển mạch 51,2T đầu tiên ra mắt vào năm 2022, hỗ trợ 64 cổng 800 Gb/s và quá trình xác thực đã bắt đầu cho các bộ thu phát 800G đầu tiên.

Năm nay, các tổ chức tiêu chuẩn sẽ phát hành các phiên bản đầu tiên của tiêu chuẩn IEEE 802.3df và OIF 224 Gb/s, hướng dẫn kỹ hơn cho các nhà phát triển về cách xây dựng các hệ thống 800G và 1,6T sử dụng các luồng 112 Gb/s và 224 Gb/s. Trong hai năm tới, dự kiến các tổ chức tiêu chuẩn sẽ hoàn thiện các tiêu chuẩn lớp vật lý và quá trình phát triển và xác nhận hợp chuẩn thực tế sẽ bắt đầu ngay sau đó.

Hình 7. Dự kiến thời gian phát triển của 800G và 1,6T.

Các nhà khai thác hiện đang nâng cấp trung tâm dữ liệu lên mạng 400G, nhưng chỉ để chờ đợi tới lần nâng cấp tốc độ không thể tránh khỏi tiếp theo. Các trung tâm dữ liệu sẽ luôn cần các công nghệ dữ liệu có khả năng mở rộng và hiệu quả hơn để hỗ trợ các công nghệ mới sử dụng nhiều dữ liệu.