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May 10, 2023

Missão Apollo: Por trás da revolução de comutação de circuitos ópticos do Google

Como o Google viu a luz e reformulou seus data centers nos últimos anos

Como o Google viu a luz e reformulou seus data centers

Nos últimos anos, o Google vem reformando silenciosamente seus data centers, substituindo sua infraestrutura de rede por uma abordagem interna radical que há muito é o sonho da comunidade de rede.

Chama-se Missão Apollo e trata-se de usar luz em vez de elétrons e substituir os comutadores de rede tradicionais por comutadores de circuito óptico (OCS). Amin Vahdat, líder da equipe de infraestrutura de sistemas e serviços do Google, nos disse por que isso é tão importante.

Este recurso apareceu na última edição da DCD Magazine. Inscreva-se gratuitamente hoje

Há um desafio fundamental com a comunicação do data center, uma ineficiência embutida no fato de que ela abrange dois mundos. O processamento é feito na eletrônica, portanto, as informações no nível do servidor são mantidas no domínio elétrico. Mas mover informações é mais rápido e fácil no mundo da luz, com a ótica.

Nas topologias de rede tradicionais, os sinais alternam entre elétricos e ópticos. "Tudo tem acontecido salto a salto, você converte de volta para a eletrônica, empurra de volta para a óptica e assim por diante, deixando a maior parte do trabalho no domínio eletrônico", disse Vahdat. "Isso é caro, tanto em termos de custo quanto de energia."

Com o OCS, a empresa "deixa os dados no domínio óptico o maior tempo possível", usando pequenos espelhos para redirecionar feixes de luz de um ponto de origem e enviá-los diretamente para a porta de destino como uma conexão cruzada óptica.

"Fazer isso funcionar reduz a latência da comunicação, porque agora você não precisa se deslocar tanto pelo data center", disse Vahdat. "Ele elimina os estágios de comutação elétrica - essa seria a espinha dorsal dos data centers da maioria das pessoas, incluindo os nossos anteriormente."

A arquitetura 'Clos' tradicional encontrada em outros data centers depende de uma coluna feita com comutadores de pacotes eletrônicos (EPS), construídos em torno de silício de empresas como Broadcom e Marvell, que é conectado a 'folhas' ou comutadores de topo de rack.

Os sistemas EPS são caros e consomem bastante energia, além de exigir processamento por pacote com alta latência quando os sinais estão em formato eletrônico, antes de convertê-los de volta ao formato leve para transmissão posterior.

O OCS precisa de menos energia, diz Vahdal: "Com esses sistemas, essencialmente, a única energia consumida por esses dispositivos é a energia necessária para manter os espelhos no lugar. O que é uma quantidade pequena, já que são espelhos minúsculos."

A luz entra no interruptor do Projeto Apollo através de um feixe de fibras e é refletida por vários wafers de silício, cada um dos quais contém um pequeno conjunto de espelhos. Esses espelhos são sistemas microeletromecânicos 3D (MEMS) que podem ser realinhados individualmente rapidamente para que cada sinal de luz possa ser imediatamente redirecionado para uma fibra diferente no feixe de saída.

Cada matriz contém 176 espelhos minúsculos, embora apenas 136 sejam usados ​​por motivos de rendimento. "Esses espelhos são todos personalizados, todos um pouco diferentes. E isso significa que, em todas as entradas e saídas possíveis, a combinação é 136 ao quadrado", disse ele.

Isso significa 18.496 combinações possíveis entre dois pacotes de espelhos.

O consumo máximo de energia de todo o sistema é de 108W (e costuma consumir bem menos), bem abaixo do que um EPS similar pode atingir, em torno de 3.000 watts.

Nos últimos anos, o Google implantou milhares desses sistemas OCS. A geração atual, Palomar, "está amplamente implantada em todas as nossas infraestruturas", disse Vahdat.

O Google acredita que este é o maior uso de OCS no mundo, por uma margem confortável. "Já estamos nisso há algum tempo", diz Vahdat.

O desenvolvimento do sistema geral exigiu vários componentes personalizados, bem como equipamentos de fabricação personalizados.

Produzir o Palomar OCS significou desenvolver testadores personalizados, alinhamento e estações de montagem para os espelhos MEMS, colimadores de fibra, núcleo óptico e seus componentes constituintes e o produto OCS completo. Uma ferramenta de alinhamento personalizada e automatizada foi desenvolvida para posicionar cada conjunto de lentes 2D com precisão submicrométrica.