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Meeting 100Gbps Ethernet Requirements with CMOS Integrated Circuit Chipset to Dramatically Cut Energy Use in Data Centres

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Der weltweit erste kostengünstige und stromsparende 25/100 Gbit CMOS-Chipsatz für Rechenzentren

Mit der von leistungsstarken breitbandfähigen digitalen Geräten verursachten Datenexplosion sind Rechenzentren zu einer kritischen modernen Infrastruktur geworden. Bei einem nicht nachhaltigen Energieverbrauch sind nun aber neue Lösungen unerlässlich.

Digitale Wirtschaft

Laut Berechnungen verbrauchen Rechenzentren ungefähr 200 Terawattstunden Strom jährlich, was ungefähr 1 % des weltweiten Stromverbrauchs entspricht. Einige Prognosen gehen davon aus, dass dieser Bedarf in wenig mehr als einem Jahrzehnt auf ungefähr 7 % steigen wird. Um die derzeitigen Ineffizienzen in Rechenzentren zu überwinden, wurde im Rahmen des durch das KMU-Instrument der EU finanzierten Projekts MERCURY ein Prototyp eines wegweisenden IC-Chipsatzes entwickelt und vorgestellt. Beim Projekt MERCURY wurde zum ersten Mal die branchenübliche CMOS-Technologie auf 12-Zoll-Wafern eingesetzt, um optische Transceiver-Module (OTM) mit 25 Gigabit pro Sekunde (Gbps) in einem 4 x 25 Gbit-Format zu betreiben. Eine Brücke zwischen dem optischen und dem elektrischen Bereich Bei Datenraten von 25 Gbit oder mehr, üblich bei der neuesten Kommunikation mit hoher Bandbreite, wenn die Distanz, die Signale auf einer elektrischen Leiterplatte zurücklegen müssen, länger ist als einige Zoll, werden sie schwächer und gehen bald komplett im Rauschen verloren. Bei integrierten Schaltungen mit optischen Transceivern wird diese Einschränkung vermieden, da zum Senden und Empfangen von Signalen verlustarme Glasfasern verwendet werden. Diese Chips nutzen zu Beginn oft bipolare Transistoren aus Silizium-Germanium (BiCMOS SiGe). Diese Anordnung bietet zwar Hochgeschwindigkeitsverarbeitung, beeinträchtigt aber die Energieeffizienz, da SiGe-Transistoren mit höheren Spannungen arbeiten als CMOS-Transistoren. Die Innovation des Projekts MERCURY lag in der Umwandlung von optischen in elektrische Signale und zurück unter Verwendung von CMOS. Für MERCURY wurden auf der Sendeseite eingehende digitale Daten neu zeitgesteuert, wobei fortschrittliche analoge Antriebssignale zum Betrieb der Laserkomponente erstellt werden. Auf der Empfangsseite wandelt eine Fotodiode das eingehende Lichtsignal in einen Fotostrom geringer Stärke um, der in mehreren Stufen bis auf die maximale digitale Stufe verstärkt wurde, wobei die Uhr (Koordination der digitalen Zeitsteuerung) und die Datensignale extrahiert wurden. „So wurde beispielsweise vor Kurzem ein Rechenzentrum in Dublin mit 1 Million optischen Transceivern ausgestattet. Unter Nutzung unserer Technologie würde jedes optische Transceiver-Modul ein halbes bis 1 Watt weniger Strom verbrauchen. Wenn die Ineffizienzen der Klimatisierung berücksichtigt werden, entspricht das leicht 5 MW insgesamt eingesparter Energie – dem Stromverbrauch von mehr als 1 600 Wasserkochern, die gleichzeitig betrieben werden, an nur einem Standort!“, sagt der Projektkoordinator, Herr Gary Steele. Mit 12 Zoll bieten die CMOS-Wafer von MERCURY größere Skaleneffekte als die 8-Zoll-Wafer von SiGe. Die MERCURY-Technologie reduziert nicht nur Kosten, indem sie weniger als die Hälfte der Energie der Wettbewerbsprodukte verbraucht, ohne Leistungs- oder Funktionalitätseinbußen, sondern scheint auch in der Lage zu sein, BiCMOS zu verdrängen – so wie es auch schon bei geringeren Datenraten der Fall war. Die wachsende Nachfrage nach energieeffiziente Rechenzentren Die Investitionen in europäische Rechenzentren steigen. Bis 2020 werden die Rechenzentren in Europa jedes Jahr mehr als 100 Milliarden kWh Strom verbrauchen. Der Verhaltenskodex für Energieeffizienz in Rechenzentren der EU wurde entwickelt, um dieser unhaltbaren Situation entgegenzuwirken, ohne die Geschwindigkeit und die Speicherkapazitäten der Rechenzentren zu beeinträchtigen. Durch den Ersatz von BiCMOS durch CMOS reduziert MERCURY den Energieverbrauch und die Abwärme von Rechenzentrumseinrichtungen und trägt so zu diesem Bemühen bei. Zusätzlich, wie Herr Steele sagt: „25 Gbps ist auch die führende Lösung für die Einführung des 5G-Mobilfunkstandards. Mit viel höheren Datenraten bei Verbrauchern im Vergleich mit den 3G- und 4G-Telefonen, zusammen mit vielen weiteren Basisstationen, gelten die Stromeinsparungen von MERCURY auch hier. Wir rechnen mit einem Produktionsvolumen von bis zu 50 Millionen Einheiten jährlich und einer weltweiten Gesamtinstallation von 250 Millionen oder mehr.“ Mit dem Nachweis der vollen Funktionsfähigkeit und daran anschließenden Leistungsverbesserungen (in einem weiteren Prototypenlauf enthalten) führt das Team nun Labortests mit technischen Mustern in Erwartung der vollen Massenproduktion durch.

Schlüsselbegriffe

MERCURY, 5G, integrierte Schaltungen, optische Transceiver, CMOS, BiCMOS, Rechenzentren, Datenraten, bipolare Transistoren, Energieeffizienz, umweltfreundlich, nachhaltig

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