La innovación en Ethernet enfrenta la potencia a la velocidad

Aunque el paso a la Ethernet de 400G ha sido hasta ahora un acontecimiento principalmente para los hiperescaladores y las redes de telecomunicaciones, la ambición de estos usuarios, así como de los clientes de los centros de datos, es pasar en última instancia a 800Gbps como mínimo y posiblemente a 1,6Tbps.

Y aunque 800Gbps parece ser un objetivo sólido para los visionarios de las redes Ethernet, los retos tales como la óptica, la energía y la arquitectura necesarias para dar el siguiente salto de velocidad, parecen formidables.

La necesidad de aumentar la velocidad en los centros de datos y los servicios en la nube está impulsada por múltiples factores, como el continuo crecimiento de las redes a hiperescala de actores como Google, Amazon y Facebook, pero también por las cargas de trabajo más distribuidas de la nube, la inteligencia artificial, el vídeo y las aplicaciones móviles que soportarán las redes actuales y futuras.

Otro motor es que se espera que el tráfico IP global crezca hasta 396 exabytes al mes en 2022, frente a los 177EB de 2017, según la evaluación del ancho de banda de ethernet de IEEE 802.3 Industry Connections de abril de 2020. Los factores subyacentes, como el aumento del número de usuarios, el incremento de las tasas y métodos de acceso y el aumento de los servicios, apuntan a un crecimiento continuo de la demanda de ancho de banda, según el informe.

Y ha habido una importante actividad de la industria para hacer avanzar las tecnologías Ethernet más rápidas. Por ejemplo, el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) y la Asociación de Normas IEEE formaron a finales de 2020 el Grupo de Estudio IEEE 802.3 Beyond 400 Gbps ethernet.

"El camino hacia más allá de 400 G Ethernet existe, pero hay una serie de opciones y retos físicos que habrá que considerar para dar el siguiente salto en la tasa de velocidad de Ethernet", ha declarado John D'Ambrosia, ingeniero distinguido de Futurewei Technologies, en una declaración sobre la formación del grupo.

Nuevos proyectos en torno a la Ethernet de alta velocidad

También a finales del año pasado, el Optical Internetworking Forum (OIF) puso en marcha nuevos proyectos en torno a la Ethernet de alta velocidad, entre ellos el proyecto 800G Coherent. Según Tad Hofmeister, director técnico de Tecnologías de Redes Ópticas de Google y vicepresidente del OIF, este proyecto pretende definir las especificaciones de las líneas coherentes de 800G interoperables —que básicamente definen cómo se comunican los equipos de conmutación de mayor velocidad a largas distancias— para aplicaciones de interconexión de campus y centros de datos.

Esta semana, D'Ambrosia y Hofmeister formaron parte de un grupo de expertos de empresas líderes del sector, como Cisco, Juniper, Google, Facebook y Microsoft, que se reunieron en el Foro de Exploración Tecnológica (TEF) de la Ethernet Alliance para analizar los problemas y requisitos relacionados con el establecimiento de las velocidades de la próxima generación de Ethernet.

Uno de los principales retos para ir más allá de los 400 Gbps es la energía necesaria para impulsar esos sistemas.

"La energía está creciendo a un ritmo insostenible. La energía es el problema que hay que resolver porque limita lo que podemos construir y desplegar, así como lo que nuestro planeta puede sostener", dijo Rakesh Chopra, miembro de Cisco, en el TEF. "La potencia por bit siempre ha mejorado: podemos multiplicar por 80 el ancho de banda, pero la energía necesaria para ello aumenta 22 veces. Cada vatio que consumimos en la red, es menos en los servidores que podemos desplegar. No se trata de lo pequeño que puede ser el equipo, sino de lo eficiente que puede ser".

La energía es una de las principales limitaciones para las velocidades superiores a 400G, dijo Sameh Boujelbene, director senior de Dell'Oro Group. "La energía ya está afectando a la forma en que los hiperescaladores despliegan las velocidades más altas porque tienen que esperar a que las diferentes piezas de tecnología funcionen de manera eficiente dentro de su presupuesto de energía existente, y ese problema sólo crece con las velocidades más altas".

La gran pregunta es si nos topamos primero con el muro del ancho de banda o de la energía, dijo Brad Booth, ingeniero principal de hardware del Grupo de Sistemas de Hardware Azure de Microsoft.  "Si continuamos utilizando las mismas tecnologías que usamos hoy, nos quedaríamos planos en la banda de potencia. Como cada vez necesitamos más potencia, tenemos una limitación de potencia. Tenemos que confiar en lo que se está construyendo y en lo que está disponible a través de las infraestructuras que apoyamos."

Muchas organizaciones industriales y de investigación, como DARPA y otras, están estudiando cómo construir una mayor densidad de ancho de banda con una potencia mejorada, ha señalado Booth.

Y eso requerirá respuestas creativas. "Las futuras redes de centros de datos pueden requerir una combinación de innovaciones fotónicas y arquitecturas de red optimizadas", ha reconocido Boujelbene.

Una de esas posibles innovaciones, denominada óptica combinada (CPO), está siendo desarrollada por Broadcom, Cisco, Intel y otras empresas, pero todavía es un campo incipiente. La CPO une la óptica y el silicio de los conmutadores, actualmente separados, en un solo paquete con el objetivo de reducir considerablemente el consumo de energía.

"El CPO supone el siguiente gran paso en la reducción de energía y ofrece un ahorro de energía y densidad que permite el escalado de los sistemas de próxima generación", afirma Rob Stone, director de compras técnicas de Facebook. Stone es también el presidente del grupo de trabajo técnico del Consorcio de Tecnología Ethernet que anunció la finalización de una especificación para 800GbE. "Lo que se necesita es un ecosistema de CPO apoyado por estándares para una amplia adopción".

Facebook y Microsoft están desarrollando conjuntamente una especificación CPO "para hacer frente al reto del crecimiento del tráfico de los centros de datos reduciendo el consumo de energía de la interfaz eléctrica de los conmutadores ópticos", afirman las empresas en su sitio web sobre CPO. "Se necesita una especificación de sistema común y disponible públicamente para guiar a los proveedores de conmutadores y ópticos para que desarrollen rápidamente soluciones conjuntas y permitan la creación de un ecosistema diverso de proveedores".

La OIF también está trabajando en un marco de coempaquetado, una especificación que incorporará espacios de aplicación y consideraciones tecnológicas relevantes para el coempaquetado de interfaces de comunicación con uno o más ASIC. Uno de los principales objetivos de la especificación es identificar nuevas oportunidades de normas de interoperabilidad para posibles trabajos futuros en la OIF o en otras organizaciones de normalización, declaró Hofmeister.

Un largo camino por delante

Sin embargo, según los expertos, la CPO tiene un largo camino por delante. "La arquitectura, el diseño, el despliegue y la puesta en marcha de sistemas con CPO es una tarea increíblemente difícil y, por tanto, es fundamental, como industria, que empecemos antes de que sea demasiado tarde", escribió Chopra, de Cisco, en un reciente blog sobre CPO. "Hoy en día, en las redes de proveedores de servicios y a escala web, la mayoría de los enlaces fuera del rack son ópticos, mientras que el cableado dentro del rack es de cobre. A medida que aumentan las velocidades, los enlaces de cobre más largos deben pasar a ser ópticos. Con el tiempo, todos los enlaces que salgan de un paquete de silicio serán ópticos en lugar de eléctricos".

"Aunque cada vez es más difícil ir más rápido, es una cuestión abierta si podemos construir sistemas que soporten la siguiente velocidad y densidades más altas de la forma en que estamos acostumbrados", ha insistido David Ofelt, ingeniero de Juniper Networks. "Incluso si podemos, no está claro que el resultado sea aceptable para el usuario final".

Pasarán muchos años antes de que la tecnología para soportar las velocidades de ethernet más rápidas esté disponible en volumen con un embalaje y un soporte de sistema adecuados, según Ofelt. "No se trata de que los estándares sean lentos, sino de la realidad de la construcción de un ecosistema a escala", ha admitido.

Parte del reto de pasar a velocidades más altas de forma masiva puede ser que los ritmos de adopción sean muy escalonados.

Por ejemplo, la mayoría de los clientes empresariales pasarán de 10G a 25G en los próximos dos a cinco años, y 50G a 100G será la siguiente velocidad para muchos de ellos. Las expectativas sobre la tecnología inalámbrica en el borde de la red pueden cambiar, según Vlad Kozlov, fundador y director general de la empresa de investigación LightCounting. "Las empresas que dependen en gran medida de los servicios digitales o que los prestan pasarán de 100G a 400G en los próximos dos a cinco años. 800G o 1,6T serán las próximas velocidades para ellas. Sin embargo, los servicios de IA hambrientos de ancho de banda pueden cambiar esta situación en el futuro: la mayoría de las empresas necesitarán una conectividad más rápida para transmitir vídeos que monitoricen sus operaciones."

Al final, lo que realmente se necesita es una arquitectura subyacente flexible para soportar la futura demanda de ancho de banda más allá de los 400 Gbps, dijo D'Ambrosia en el TEF. "Hay mucho trabajo por hacer, y realmente acabamos de empezar".