Valoa ilmassa ja muita maailman ihmeitä

Optiset verkot ovat internetin näkymätön runkoverkko. Ne yhdistävät datakeskukset, pilvipalvelut, mobiiliverkot ja kansainväliset yhteydet. Kun AI kasvattaa sekä sähkön että dataliikenteen tarvetta, optisesta verkosta tulee yksi keskeisistä pullonkauloista ja samalla yksi tärkeimmistä mahdollistajista.

Nokia järjesti optisten verkkojen Wavelengths-konferenssin 21.-23.4. aurinkoisessa ja välillä sateisessa Madridissa. Tässä kirjoituksessa tuon esille jaetun tiedon kohokohtia.

Vähemmän yllättävästi myös optisen maailman kärkiteema oli AI. Ja normaaliin infravalmistajan tapaan kahdella eri tavalla. Toisena ”näin olemme mukana rakentamassa AI-ympäristöjä/konesaleja” ja toisena ”näin hyödynnämme AI:ta omissa työkaluissamme”. Jälkimmäisen sivuutan huomiolla, että kielimallit ja agentit tulevat muuttamaan työnkuvaamme radikaalisti tulevaisuudessa – sen verran älykkäitä asioita voidaan tehdä jo nyt. Ensimmäinen sisältää sen sijaan paljon mielenkiintoisia osa-alueita, erityisesti globaalissa mittakaavassa.

Lähdetään liikkeelle perusyksiköstä, eli konesalissa hurisevasta erikoistuneita AI-prosessoreita sisältävästä räkistä. Perinteisessä konesalimaailmassa on totuttu ilmajäähdytteisiin 5-10 kW teholla toimiviin räkkeihin. Nykyiset AI-räkit ovat 40-100 kW ja ennusteiden mukaan seuraavan sukupolven suljetut AI-räkit ovat jopa satoja kilowatteja ja tiekartoilla puhutaan jopa megawatista! Tämä tuo mukanaan useita haasteita. Ensimmäinen on jäähdytys – ilmajäähdytteisistä räkeistä on pakko siirtyä nestejäähdytteisiin räkkeihin. Toinen on paino – seuraavan sukupolven AI-räkkien arvioidaan painavan yli kaksi tonnia, joten konesalin lattiarakenteisiin tulee kiinnittää erityistä huomiota. Kolmas on sähkön tarve.

Sähköä kuluu melkoisia määriä, mutta sitä ei ole kaikkialla niin helposti saatavilla. Tämän vuoksi ajattelumalli on siirtymässä perinteisestä ”rakennetaan tosi isoja datakeskuksia ja toteutetaan siellä valtava määrä kapasiteettia” siihen, että ”rakennetaan vähän pienempiä yksiköitä, joihin on helpompi saada sähköä, ja yhdistetään nämä keskenään”. Isojen kielimallien koulutusvaiheen näkökulmasta uusi malli tuottaa uuden haasteen – miten saadaan datakeskusten välinen kapasiteetti tarpeeksi suureksi ja viive riittävän pieneksi niin, että AI-räkkien väliset yhteydet eivät aiheuta pullonkauloja.

Kasvua kasvun päälle

Kapasiteetin tarve on aivan järjetön. Tutkimusten mukaan konesalien välinen AI-liikenne kasvaa huimaa 65 %:n keskimääräistä vuosivauhtia. Tämä ei ole pelkkää koulutukseen liittyvää liikennettä vaan isossa kasvussa on myös päättely, eli mallien käyttämiseen liittyvä liikenne. Liikenteen kasvu edellyttää vauhdikkaampia tietoliikennejärjestelmiä ja valmistajat ovatkin nopeassa tahdissa kasvattaneet yksittäisten yhteyksien kapasiteettia aina 800 Gbit/s asti. Muutaman vuoden kuluttua on odotettavissa 1,6 Tbit/s välittäviä optiikoita, mutta sitten kehitys alkaakin olla jo äärirajoilla. Syynä tähän on Shannonin informaatioteoria, joka asettaa ylärajan käytettävissä olevalle kapasiteetille yksittäisen aallonpituuden osalta.

Koska 800 Gbit/s tai jopa 1,6 Tbit/s on AI-liikenteen mittakaavassa naurettavan vähän, yhteyksien määrä pitää moninkertaistaa. Tämä onnistuu monistamalla fyysisten yhteyksien eli kuituparien määrä, hyödyntämällä DWDM-tekniikoita (Dense Wavelength Division Multiplexing) tai yhdistämällä näitä kumpaakin. Ykkösvaihtoehto on yksinkertainen, mutta vaatii valtavan määrän kuitua datakeskusten välille. Kakkosvaihtoehto ei tarjoa riittävästi kapasiteettia ja tämän vuoksi yleensä mennään kolmosella.

Nokian uusilla DWDM-järjestelmillä saadaan yhteen kuitupariin tungettua liikennettä toteutustavasta riippuen 50-100 Tbit/s. Vertailun vuoksi – Suomen Internet-yhdysliikennepisteen, Ficixin, läpi kulkee parhaimmillaan noin 350 Gbit/s. Edistyksellisten kielimallien opetusverkoissa tarvitaan kuitenkin ihan toisen mittaluokan liikennemääriä. Suurimmissa klustereissa on kymmeniä, jopa satojatuhansia GPU:ita, ja näiden välinen verkko tulee mitoittaa jopa kymmenien petabittien luokkaan. Tämän vuoksi hajautettu AI-datakeskus tarvitsee useita DWDM-järjestelmiä sisäisen liikenteen välittämiseen. Eli ei yksi 100 Tbit/s välittävä järjestelmä, vaan esimerkiksi 50 kappaletta näitä rinnakkain. Tämä on syy miksi Nokia ja toki muutkin valmistajat puhuvat moniraidejärjestelmistä (multi-rail system), missä esimerkiksi optisia vahvistimia pakataan pienempään tilaan puhtaasti tehon ja tilankulutuksen näkökulmasta.

Viipeet kuriin onttoydinkuidulla

Mielenkiintoinen ulottuvuus tässä kaikessa on datakeskusten väliset etäisyydet. Toimiakseen optimaalisesti, modernien kielimallien opetusdatan välityksessä ei saa olla isoja viipeitä. Fyysisen etäisyyden kasvaessa viipeet kasvavat lineaarisesti. Tähän on tuotu apuvälineeksi onttoydinkuitu (HCF, Hollow Core Fiber). Nimensä mukaisesti kyseessä on kuitu, jossa valo kulkee ontossa ytimessä kun tavallisessa yksimuotokuidussa se kulkee lasiytimessä. Ontolla ytimellä saavutetaan runsaasti erilaisia hyötyjä, mutta ehkäpä tärkein näistä on valon etenemisnopeus. Kun tavallisessa yksimuotokuidussa se on noin 200 000 km/s, päästään onttoydinkuidulla huomattavasti lähemmäs valon nopeutta. Tämän seurauksena esimerkiksi AI-datakeskusten välinen viive pienenee tai vaihtoehtoisesti samalla viipeellä voidaan sijoittaa konesalit kauemmaksi toisistaan. Jolloin voi olla helpompi saada sähköä, joka oli koko homman tavoite.

Onttoydinkuitua ei ole maailmalla vielä paljoa käytetty. Eurooppalainen euNetworks on toteuttanut lähinnä finanssisektorin asiakkaille noin 200 km sillä tehtyjä yhteyksiä. Finanssipuoli on oiva asiakas – jokainen säästetty mikrosekunti nopeuttaa kaupankäyntiä pörsseissä ja rahasta ei ole pulaa. Onttoydinkuitu on nimittäin noin 100 kertaa kalliimpaa kuin tavallinen yksimuotokuitu ja jos hintaan huomioidaan vielä paljon nykyisiä kaapeleita heikompi kuituparien määrä ja siten kaapelikanavien nopeampi täyttyminen, voidaan laskea onttoydinyhteyksien olevan jopa 1000 kertaa kalliimpia kuin perinteiset yksimuotokuidulla tehdyt yhteydet.

Koherentti optiikka

Iso huomio tilaisuudessa kiinnittyi seuraavan sukupolven koherenttiin optiikoihin. Perinteisellä tavalla toteutetuissa optiikoissa skaalautuminen kapasiteetin ja etäisyyden suhteen ovat selkeästi koherentteja optiikoita perässä. Moderni koherentti optiikka mahdollistaa kapasiteetit nykyisin aina 800 Gbit/s asti ja tulevaisuudessa vielä ylöspäin – 1,6-2,4 Tbit/s on jo piirustuspöydällä.

Mikä koherentti optiikka oikeastaan on? Kyseessä on optinen moduuli, johon on tungettu muiden osien lisäksi viimeistä huutoa oleva digitaalinen signaaliprosessori (DSP). Kun perinteisessä optiikassa siirto tapahtuu optisen signaalin voimakkuuden pohjalta, on koherentissa optiikassa käytössä lisäksi myös vaihe ja polarisaatio. Tämä mahdollistaa edistykselliset koodaustavat ja sitä kautta paljon aikaisempaa tehokkaamman siirron. Tehokas siirto ei ole pelkästään kapasiteettia, vaan myös pidempiä siirtoetäisyyksiä. Nokian ICE-X 800G ZR+ moduleissa 800G nopeudella maksimietäisyys on 1700 km ilman elektro-optista signaalin uudelleengenerointia. Eli väliin tarvitaan vain optiset vahvistimet 80-120 km välein.

Koherentti optiikka ei ole pelkästään AI-maailman asioita. Se muuttaa tavan suunnitella ja toteuttaa laajaverkkoja. Modulit käyvät suoraan reitittimiin ja kytkimiin ja sitä kautta saadaan toteutettua isoja kapasiteetteja pienillä kustannuksilla ja vähäisillä laitteiden ja tilojen tarpeilla.

Salausta monella tasolla

Monessa organisaatiossa regulaation määrä lisääntyy koko ajan. Osa tästä ohjaa organisaatiot tuottamaan tietoturvansa monella eri kerroksella ja tekniikalla. Tietoliikenteen näkökulmasta iso palanen saavutetaan liikenteen salaamisella. Salausta käytetään toki monella sektorilla ilman varsinaista regulaatiopainettakin, mutta sääntely tekee siitä määrämuotoisempaa. On syytä huomata, että sääntely ei useinkaan määritä täsmällisesti, miten salaus pitää suorittaa ja mille osalle liikennettä vaan toteaa, että salata pitää organisaation riskitasojen mukaisesti.

Salaus voidaan tehdä monella eri tasolla. Ylhäältä lähtien L7-salaus on käytännössä web-liikenteen TLS (Transport Layer Security). Verkkokerroksella käytössä on IPsec ja L2-tason kahden pisteen välisillä yhteyksillä MACsec. L1-tasolla, eli fyysisellä kerroksella salataan koko optinen yhteys. Salauksessa hyödynnetään AES-256-algoritmia, jonka katsotaan tällä hetkellä olevan kvanttikestävä eli mahdollistavan tarpeeksi vahvan salauksen myös silloin, kun kvanttitietokoneet ovat tätä päivää.

Eri tasojen salauksissa on tärkeää huomata niiden vaikutukset liikenteeseen muiden kuin sovellustason salauksen osalta. IPsec ja MACsec tuovat vähän enemmän viivettä ja myös huonomman välityksen hyötysuhteen, kuin salaus optisella tasolla. Jos kuitenkin salaus tarvitaan monenlaisille liikennekuormille, on se helpointa tehdä optisella tasolla.

Merkittävä osa optisen tason salausta on erillinen avaintenhallintapalvelin. Nokialla tämä laite on nimeltään 1830 SMS (Security Management Server). Kyseessä on salausavainten hallintaan, generointiin ja jakeluun erikoistunut laite, joka turvaa keskitetysti symmetrisen salauksen toimintaa.

Bonuksena optisen verkon aisti

Konferenssin viimeisenä luentona kävin kuuntelemassa optisen verkon aistimiseen liittyviä kehityssuuntia. Jälleen sitä huomasi miten paljon maailmassa onkaan asioita mitä ei tiedä, ja joita viisaat päät pohtivat tuottaakseen täysin uudenlaisia asioita. Pohjimmiltaan optisen verkon aistilla tarkoitetaan mahdollisuuksia havaita erilaisia asioita tarkkailemalla kuidussa kulkevan valon muutoksia. Tekniikoita on useampia, mutta yleisin on DAS (Distributed Acoustic Sensing). Monet DAS-ratkaisut perustuvat koherenttiin OTDR-tyyppiseen (Optical Time Domain Reflectometer) mittaukseen, jossa kuidun Rayleigh-takaisinsironnasta analysoidaan pieniä vaihe- ja amplitudimuutoksia.

Optisen verkon aistimisella on useita reaalimaailman käyttökohteita. Näistä tärkein on erityisesti operaattoreille kuituomaisuuden valvonta. Käytännössä aistimisen kautta voidaan havaita vaikkapa kaivinkoneen saapuminen kuidun päälle tai merikaapelin liikkuminen tai sen poikkeavat taipumiset. Laajennettuja käyttökohteita voisivat olla junien tai muiden ajoneuvojen paikannus ja tunnistus, lämpötilaprofiilien havainnointi ja merenpohjan liikkeiden mittaus.

Aistimekanismit kehittyvät vauhdilla, koska käyttökohteita on niin paljon ja toisaalta tarpeellinen tekniikka, eli erityisesti DSP-signaaliprosessorit paranevat sukupolvesta toiseen.

Pohditko valoisia asioita?

NetNordicilla on Suomessa ja Pohjoismaissa erittäin vahva optisten järjestelmien osaajajoukkue. Suunnittelemme ja toteutamme mielellämme niin kahden pisteen välisiä yhteyksiä esimerkiksi datakeskusten yhdistämiseen kuin laajempia, useita pisteitä kattavia verkkoja. Ole yhteydessä myyntiimme alla olevalla lomakkeella, niin sovitaan tapaaminen!