Supersnelle klokken maken datacentra zuiniger

Netwerktechniek Een nieuwe techniek zet computerklokken in een nanoseconde gelijk. Dit kan verkeer in datacentra sneller en zuiniger maken.

Kasten met daarin servers van de Rijksoverheid bij een datacentrum van Equinix in Amsterdam.
Kasten met daarin servers van de Rijksoverheid bij een datacentrum van Equinix in Amsterdam. Foto Lex van Lieshout / ANP

Een nieuwe techniek zet klokken van computers in minder dan een miljardste van een seconde gelijk. Dat kan op termijn leiden tot efficiëntere datacentra. Trage kloksynchronisatie is een hindernis voor de ontwikkeling van volledig optische netwerken. Dat schrijven onderzoekers van het University College Londen en Microsoft deze week in Nature Electronics.

De cloud hangt niet in de lucht, maar huist fysiek in datacentra. Dankzij de snelle groei van de cloud en steeds meer toepassingen die vanuit de cloud draaien, zoals streamingdiensten en kunstmatige intelligentie-toepassingen, groeit het verkeer tussen servers enorm. Met de huidige techniek komen de grenzen voor dit uitdijende verkeer in zicht. De ontwikkeling van technieken als optische routering kan ruimte bieden aan verdere groei, sneller verkeer tussen servers bewerkstelligen en zorgen dat datacentra – waar soms honderdduizenden servers staan – minder stroom verbruiken.

Beperkende factor

Gegevens worden heen en weer gestuurd met licht in glasvezelkabels. Routers fungeren als knooppunten in het netwerk, ze ontvangen de data en zenden het verder. Tot nu toe gaat dat routeren met elektrische schakelingen. Bij elke keer schakelen moet het signaal omgezet worden van een lichtsignaal naar een elektrisch signaal en weer naar licht om verder te reizen. Dat vreet stroom en het gaat relatief langzaam. Volledig optische netwerken gebruiken licht voor zowel verzenden als schakelen. Omzetten is dan niet meer nodig, dat is energiezuiniger en in potentie supersnel.

Maar een beperkende factor in snelle gegevensoverdracht bij optische schakeling is de kloksynchronisatie. Elke server moet zijn klok aanpassen aan binnenkomende gegevens, anders kan de computer binnenkomende data pakketjes niet foutloos inlezen. Er worden veel kleine datapakketjes verstuurd tussen de servers in een datacentrum, en er zijn microseconden nodig om bij elk pakketje opnieuw de klok te synchroniseren. „Je verspilt kostbare tijd met wachten. Hiermee is het voordeel dat optisch schakelen kan bieden vrijwel weg”, zegt Kari Clark, promovendus aan het University College Londen en eerste auteur van het onderzoek.

Door alle klokken van aangesloten servers centraal te synchroniseren en de hardware de klokfasewaarden te laten onthouden, hoeven servers de klok niet steeds opnieuw af te leiden. Het schakelen kan dan in plaats van in microseconden in minder dan een nanoseconde plaatsvinden. De onderzoekers noemen hun techniek clock phase caching. „Dit is een belangrijk onderdeel in het werkend krijgen van optisch schakelen”, zegt Clark. Hij werkte samen met onderzoekers van Microsoft, en de vinding is door het bedrijf gepatenteerd.

Clark is sinds 2016 aan het experimenteren met de techniek. „In eerste instantie hadden we er een hard hoofd in dat het echt zou werken. Maar we hebben laten zien dat het dat wel degelijk doet, en dat de techniek bovendien goed kan omgaan met bijvoorbeeld temperatuurschommelingen binnen het datacentrum en ruis.”

Bestaande hardware

„Het snijdt hout en ze tonen aan dat het onder verschillende omstandigheden werkt”, zegt Rob Smets, optisch netwerkarchitect bij provider voor onderwijs en onderzoek Surf. „Wat ze bovendien slim gedaan hebben, is dat deze techniek tegen de huidige technologie aanleunt. Het vergt aanpassing van de software, maar het kan met bestaande hardware.” De groeicurve van de huidige technologie is aan het afvlakken, ziet hij ook. „Maar er komen vaker nieuwe technologieën langs, die het dan toch niet halen omdat het te veel aanpassingen van het hele veld eist.”

Hij ziet nog wel obstakels. „In het onderzoek wordt het protocol voor het synchroniseren van de klokken goed beschreven. Maar er is ook een protocol nodig dat bepaalt wanneer een server een pakket verstuurt en de centrale schakelaar zo aanstuurt dat botsingen tussen pakketten worden voorkomen. Deze protocollen mogen niet falen en moeten werken op een schaal die vele malen groter is dan de schaal van dit experiment. En ook nog eens met interfaces van alle apparatuur, dit lijkt triviaal maar het is wel een belangrijk punt wil het echt kans maken.”