Leistungsstarke Transmissionsgitter für WSS-Module in KI-Rechenzentren

Künstliche Intelligenz (KI) gestaltet die Architektur moderner Rechenzentren neu. KI-Workloads erzeugen dichten, kontinuierlichen Ost-West-Traffics zwischen GPUs, was Durchsatz- und Latenzanforderungen schafft, die weit über die traditioneller Client-Server-Anwendungen wie Video-Streaming hinausgehen. Wenn diese GPU-Cluster skalieren, müssen die optischen Verbindungen, die sie zusammenhalten, unter allen Betriebsbedingungen eine hohe Kapazität, eine niedrige PDL und eine deterministische Leistung liefern.

Um Leistung, Kühlung und Redundanz sicherzustellen, verteilen Betreiber KI-Workloads zunehmend auf mehrere Standorte. Die Verknüpfung dieser Einrichtungen erfordert optische Verbindungen, die in der Lage sind, Traffic im Terabit-Maßstab über Entfernungen zu transportieren, die weit über die Reichweite von elektrischer oder kurzreichweitiger optischer Verkabelung hinausgehen. DWDM-Netzwerke (Dense Wavelength Division Multiplexing) sind zum Rückgrat dieser regionalen KI-Cluster geworden, wobei Wellenlängenselektive Schalter (WSS) das dynamische Routing und die spektrale Flexibilität bieten, die erforderlich sind, um die Last auszugleichen und die Dienstkontinuität aufrechtzuerhalten.

Eine der wichtigsten WSS-Komponenten ist das wellenlängentrennende Element, dessen Effizienz, Stabilität und Polarisationsverhalten die Gesamtleistung des Schalters direkt bestimmen. Dieses Whitepaper untersucht leistungsstarke Transmissionsgitter als wellenlängentrennendes Element in WSS-Modulen für KI-Rechenzentren. Mit Wafer-Skalen-Fertigung, hoher Beugungseffizienz, ultra-niedriger PDL und außergewöhnlicher Umweltrobustheit bieten die Quarzglas-Transmissionsgitter von Ibsen eine zuverlässige Lösung für skalierbare, kapazitätsstarke optische Verbindungen in KI-gesteuerten Netzwerken.

Die physische Reichweite und Bandbreite von Verbindungstechnologien bestimmen, wie weit KI-Cluster ausgedehnt werden können, während sie immer noch als einheitliches System funktionieren. Verbindungen mit kurzer Reichweite wie elektrische Direct Attach Cables (DAC) unterstützen nur wenige Meter, und Active Optical Cables (AOC) erweitern dies auf etwa zehn Meter. Diese Technologien sind ideal für Server-zu-GPU- oder Rack-zu-Rack-Verbindungen, können jedoch keine Kommunikation zwischen Gebäuden oder Standorten unterstützen.

KI-Bereitstellungen, die sich über Dutzende von Kilometern erstrecken, basieren auf DWDM-Netzwerken. DWDM bietet die optische Reichweite und die aggregierte Kapazität, die erforderlich sind, um verteilte GPU-Cluster über dedizierte Dark Fiber oder gemeinsame Telekommunikationsinfrastrukturen zu verbinden. Moderne DCI-Systeme arbeiten routinemäßig mit 400G und 800G pro Wellenlänge, wobei 1,6T-Kanäle aufkommen, um die nächste Generation von KI-Workloads zu unterstützen.

Diese Verbindungen mit großer Reichweite und hoher Kapazität bilden das Rückgrat der regionalen KI-Infrastruktur. Ihre Leistung hängt von optischen Komponenten ab, die Wellenlängen effizient leiten, geringe Verluste aufrechterhalten und unter anspruchsvollen Bedingungen zuverlässig arbeiten können – wodurch das Design von WSS-Modulen und ihren internen optischen Elementen zunehmend kritisch wird.

Diese Abbildung zeigt, wie 4 Rechenzentrumsstandorte über ein Ringnetzwerk mit jeweils einem WSS für jedes Rechenzentrum verbunden sind. Die WSS ermöglichen:

• Dynamische Wellenlängenzuweisung – Umverteilung der Kapazität, wenn KI-Cluster hochskaliert oder neu ausbalanciert werden.
• Optisches Routing mit geringer Latenz – Aufrechterhaltung der Reaktionsfähigkeit durch Vermeidung von elektro-optischen Wandlungen.
• Topologieflexibilität – Unterstützung von Ring-, Mesh- und Hybridarchitekturen, die es mehreren Standorten ermöglichen, als einheitliche Rechenregion zu arbeiten.

Wenn KI-Cluster wachsen, fügen Betreiber häufig neue Standorte, neue Faserpfade und neue externe Ports hinzu. Jeder zusätzliche Knoten erfordert zusätzliche WSS-Module, um sich nahtlos in das regionale optische Gefüge zu integrieren. Dies macht die WSS-Skalierbarkeit – die Fähigkeit, viele identische, leistungsstarke Schalter bereitzustellen – zu einer grundlegenden Anforderung für Verbindungen im KI-Maßstab. Im Wesentlichen ist der WSS die Steuerungsebene des Netzwerks in optischer Form, die kapazitätsstarke DWDM-Verbindungen mit dem Echtzeitverhalten verteilter KI-Workloads in Einklang bringt.

Die optischen Komponenten innerhalb eines WSS müssen strenge Leistungsvorgaben erfüllen, um Verbindungen der Terabit-Klasse zu unterstützen. Da die Portgeschwindigkeiten in Richtung 800G und 1.6T voranschreiten, können selbst geringe Verschlechterungen der optischen Qualität die Reichweite verringern, kohärente Modulationsformate beeinträchtigen oder die Anzahl der Knoten begrenzen, die dem Netzwerk hinzugefügt werden können.

Zu den Hauptanforderungen gehören:

• Geringe Einfügungsdämpfung – bewahrt die optische Leistung über große DWDM-Übertragungsstrecken hinweg und ermöglicht Multi-Node-Topologien ohne übermäßige Signalverstärkung.
• Geringe polarisationsabhängige Dämpfung (PDL) – gewährleistet eine stabile Leistung bei kohärenten Übertragungsformaten, die äußerst empfindlich auf Polarisationsschwankungen reagieren.
• Hohe Umgebungsstabilität – gewährleistet ein konsistentes Verhalten bei Temperaturschwankungen, Luftfeuchtigkeit und langfristigem Feldeinsatz.

Da Betreiber im Zuge der Expansion von KI-Netzwerken zahlreiche WSS-Module einsetzen, wird die Leistungskonsistenz ebenso wichtig wie die absolute Leistung. Das dispersive Element im Inneren des WSS – das für die Trennung der Wellenlängen verantwortlich ist – stellt daher eine kritische Designentscheidung dar. Seine optische Effizienz, sein Polarisationsverhalten und seine Fertigbarkeit bestimmen direkt, wie einfach sich das Netzwerk skalieren lässt.

Obwohl die Implementierungen variieren, weisen die meisten WSS-Architekturen ein gemeinsames optisches Layout auf:

• Eingangs- und Ausgangsfaserarrays – leiten mehrere DWDM-Kanäle in den Schalter hinein und aus ihm heraus.
• Ein dispersives Element – trennt die Wellenlängen räumlich, damit sie individuell geroutet werden können.
• MEMS-Spiegel oder ähnliche Aktuatoren – lenken jede separierte Wellenlänge auf den gewünschten Ausgangsport.

Das dispersive Element ist das Herzstück des WSS. Es bestimmt, wie sauber Wellenlängen getrennt werden, wie hoch die Verluste sind und wie stabil das System unter unterschiedlichen Polarisations- und Umgebungsbedingungen bleibt.

Die Transmissionsgitter von Ibsen sind Oberflächenreliefstrukturen, die in die Oberfläche eines Quarzglas-Substrats geätzt sind. Durch eine sorgfältige Auslegung des detaillierten Gitterprofils erzielen wir eine sehr hohe absolute Beugungseffizienz für sowohl TE- als auch TM-Polarisation.

Die hohe optische Leistung verbindet sich mit Fertigungsskalierbarkeit, wodurch sie sich besonders gut für WSS-Module eignen, die in wachsenden KI-Interconnects eingesetzt werden:

• Waferbasierte Serienproduktion Jede Wafer enthält Hunderte identischer Transmissionsgitter, wodurch Tausende von Einheiten mit enger Leistungskonsistenz produziert werden können. Diese Konsistenz ist unerlässlich, wenn Betreiber ihre Netzwerke durch das Hinzufügen weiterer WSS-Module an neuen Ports oder Standorten skalieren.
• Sehr geringer Verlust bei einer absoluten Beugungseffizienz von über 95% Eine hohe Beugungseffizienz minimiert die Einfügungsdämpfung im Inneren des WSS, bewahrt die optische Leistung über große DWDM-Übertragungsstrecken hinweg und unterstützt Multi-Node-Topologien ohne übermäßige Signalverstärkung.
• Ultra low polarization dependent loss (<0.1 dB) The fused silica, surface etched structure provides inherently low PDL, ensuring stable performance for coherent modulation formats used in 400G, 800G, and 1.6T channels.
• Außergewöhnliche Umweltrobustheit Die Transmissionsgitter von Ibsen sind in die Oberfläche von hartbeschichtetem Quarzglas geätzt und behalten eine stabile Leistung bei Temperaturwechseln, Feuchtigkeit und mechanischem Stress – kritisch für WSS-Module, die in großen, verteilten KI-Netzwerken eingesetzt werden.

Durch die Kombination von Effizienz, Stabilität und Fertigungswiederholgenauigkeit stärken die Transmissionsgitter von Ibsen den WSS an seiner empfindlichsten optischen Stufe. Dies versetzt Betreiber in die Lage, ihre auf DWDM basierenden KI-Verbindungen zu skalieren und neue Knoten sowie neue WSS-Module hinzuzufügen, ohne Einbußen bei der Leistung hinzunehmen. In kapazitätsstarken, latenzkritischen KI-Umgebungen wird diese Zuverlässigkeit zu einem grundlegenden Vorteil.