Koperloze datacenters: energie, glasvezel en de toekomst van digitale infrastructuur

Informatic Digital » Middelen » Koperloze datacenters: energie, glasvezel en de toekomst van digitale infrastructuur

In deze context komen zogenaamde "koperloze datacenters" en architecturen die het gebruik van koper minimaliseren naar voren als een krachtige manier om efficiëntie, flexibiliteit en duurzaamheid te winnen: meer glasvezel, power-over-fiber- oplossingen , modulaire elektrische distributie en ontwerpen die elke watt en elke meter kabel optimaal benutten.

Ongebreidelde vraag naar data, AI en energie

De wereldwijde hoeveelheid informatie blijft groeien: naar schatting zal er in 2025 wereldwijd zo'n 181 zettabyte aan data worden gecreëerd en verbruikt , bijna drie keer zoveel als aan het begin van dit decennium. Deze explosieve groei vereist dat datacenters veel schaalbaarder zijn en in staat zijn om de reken- en opslagcapaciteit vrijwel direct uit te breiden.

De opkomst van cloudcomputing en krachtige kunstmatige intelligentie ligt grotendeels aan de basis van deze sprong voorwaarts. Enorme taalmodellen, geavanceerde analyses, 5G-diensten en realtime-applicaties verhogen de bandbreedtebehoefte, verkleinen de acceptabele latentiemarges en verhogen de energiebehoefte van de infrastructuur aanzienlijk.

Volgens prognoses van BloombergNEF zou de elektriciteitsbehoefte voor AI-berekeningen in de Verenigde Staten tegen 2035 meer dan kunnen verdubbelen. Topmanagers zoals Jensen Huang (Nvidia) en Sam Altman (OpenAI) waarschuwen al langer dat er triljoenen dollars aan nieuwe infrastructuur nodig zullen zijn om deze nieuwe golf van datacenters en AI-complexen te ondersteunen.

Het knelpunt zit echter niet langer zozeer in de beschikbare ruimte of servertechnologie, maar in de elektriciteitsvoorziening en de capaciteit van de elektriciteitsnetten . De transmissie-infrastructuur is in veel markten verouderd, de regelgevingsprocessen verlopen traag en het aansluiten van nieuwe megawatt op het net duurt jaren.

Het geval van Santa Clara: voltooide gebouwen die niet verlicht kunnen worden.

De situatie in sommige technologiecentra is zo nijpend dat er datacenters zijn die al jaren leegstaan ​​en klaar zijn voor gebruik, in afwachting van stroomvoorziening. Dit is wat er gebeurt in Santa Clara, Californië, de thuisstad van Nvidia en een van 's werelds belangrijkste computercentra.

Digital Realty, een van 's werelds grootste ontwikkelaars van datacenters, diende in 2019 een vergunningsaanvraag in voor de bouw van een nieuwe faciliteit in Santa Clara. Ongeveer zes jaar later staat het vier verdiepingen tellende gebouw van circa 40.000 vierkante meter nog steeds leeg, in afwachting van een volledige stroomvoorziening door het gemeentelijke energiebedrijf Silicon Valley Power (SVP).

Een vergelijkbare situatie doet zich voor bij Stack Infrastructure (nu eigendom van Blue Owl Capital), met een nabijgelegen project van maximaal 48 megawatt aan kritieke capaciteit dat eveneens stil ligt . Beide ontwikkelaars zijn afhankelijk van de voltooiing door SVP van een upgrade van het elektriciteitsnet ter waarde van ongeveer 450 miljoen dollar, met een verwachte voltooiing rond 2028.

Ondertussen heeft Santa Clara al meer dan vijftig datacenters in bedrijf of in aanbouw , wat aantoont in hoeverre de lokale vraag naar digitale capaciteit de groeicapaciteit van het elektriciteitsnet overstijgt. In dergelijke omgevingen telt elke watt, en elke technologie die energiebesparing mogelijk maakt of verliezen in bekabeling en distributie vermindert, is cruciaal.

Het probleem is niet uniek voor Californië: in Noord-Virginia, de beroemde "Data Center Alley" die door Dominion Energy wordt bediend, zijn er meldingen van wachttijden van één tot drie jaar – en in sommige gevallen zelfs zeven jaar – voor de aansluiting van grote datacenters . In Oregon heeft Amazon geklaagd over onvoldoende stroomvoorziening voor diverse projecten, wat de groeiende spanning tussen exploitanten en nutsbedrijven illustreert.

Wat is er aan de hand met de bekabeling van het datacenter?

Naast de problemen met de stroomvoorziening ondergaat ook het interne ontwerp van datacenters een transformatie: koperbekabeling raakt achterop bij glasvezeloplossingen , vooral nu de transmissiesnelheden enorm toenemen.

In slechts een paar jaar tijd zijn we van 40 Gbps naar 100 Gbps gegaan als bijna standaard, en 400 Gbps-verbindingen worden steeds vaker gebruikt in hoogwaardige implementaties. De industrie is al bezig met plannen voor sprongen naar 800G en zelfs 1,6 Tbps , in navolging van de Ethernet-roadmap van de IEEE. Het handhaven van deze snelheden met koperkabels wordt steeds complexer, duurder en energie-intensiever.

Tegenwoordig is glasvezel de standaard in vrijwel het gehele datacenternetwerk, van de aggregatielaag tot de kernlaag, en ook tussen ruimtes en gebouwen. Koper wordt nog slechts af en toe gebruikt voor korte verbindingen tussen switches en servers binnen het rack of in de directe omgeving , waar twisted-pair kabels of DAC's nog steeds worden gebruikt voor zeer korte afstanden en gemiddelde snelheden.

Al jaren wordt de teloorgang van koper in datacenters voorspeld, en hoewel het langer heeft standgehouden dan velen hadden verwacht, zorgt de combinatie van afstandsbeperkingen, steeds toenemende energiebehoeften en de druk om energiezuinige datacenters te ontwerpen ervoor dat er een nieuw keerpunt komt.

Energieverbruik: de achilleshiel van koper

Een van de grootste problemen met koper in hogesnelheidsomgevingen is het aanzienlijk hogere stroomverbruik in vergelijking met glasvezel . Boven de 10 Gbps zijn twisted-pair (UTP/STP)-implementaties vrijwel verdwenen uit bedrijfskritische omgevingen vanwege ontwerp- en efficiëntiebeperkingen.

Bij een koperverbinding moet elk uiteinde de elektrische signalering van het kanaal van stroom voorzien . 10G koperen transceivers verbruiken doorgaans zo'n 3-5 watt per stuk. Dit lijkt misschien onbeduidend, maar vermenigvuldigd met duizenden poorten, wordt de impact op het energieverbruik en de koeling van het datacenter enorm.

Ter vergelijking: koperen modules verbruiken bijna tien keer zoveel stroom als veel vergelijkbare multimode glasvezeltransceivers . Daar komen de indirecte kosten voor het afvoeren van de extra warmte nog bij, waardoor airconditioning en thermische beheersystemen overgedimensioneerd moeten worden, wat de operationele kosten verder verhoogt.

Als rekening wordt gehouden met de kosten voor het compenseren van de extra warmte, kunnen de operationele kosten van koper gemakkelijk verdubbelen ten opzichte van een glasvezelinfrastructuur . In een omgeving waar de energiemarges steeds krapper worden en de regelgeving steeds meer gericht is op efficiëntie, is dit verschil cruciaal.

Signaalverlies en afstandsbeperkingen van koper.

Een andere belangrijke beperking van koper is signaalverlies naarmate de snelheid en afstand toenemen . Elektrische signalen worden verzwakt en de mogelijkheden ervan worden beperkt door de capaciteiten van de ASIC's en de compensatietechnieken die nodig zijn om de signaalintegriteit over de verbinding te behouden.

Bij zeer hoge snelheden is er aanzienlijk meer energie nodig om zelfs over korte afstanden via koperkabels signalen te verzenden , wat volledig indruist tegen het doel om het energieverbruik te verminderen. Zelfs DAC-kabels voor korte afstanden beginnen deze beperkingen te vertonen, waardoor ontwerpen die voorheen relatief eenvoudig waren, complexer worden.

De toenemende capaciteit van switches is ook een gamechanger. Tegenwoordig kan één enkele 1U-switch meerdere serverracks bedienen . Bij de snelheden die moderne applicaties vereisen, is koperbekabeling niet langer toereikend om al die afstanden te overbruggen, zelfs niet in relatief smalle gangen, zonder het stroomverbruik buitensporig te verhogen.

Daarom laten veel operators het klassieke "top-of-rack"-model met korte koperen verbindingen achter zich en kiezen ze voor ontwerpen met aggregatieswitches in het midden van de rij of aan het einde van de rij, ondersteund door gestructureerde bekabeling, meestal glasvezel. Dit vermindert de complexiteit, verbetert de schaalbaarheid en helpt bij het optimaliseren van signaalpaden en energieverbruik.

Naar interne netwerken gericht op 800G en 1,6T

De Ethernet-roadmap naar 800G en 1,6T is geen verre ambitie, maar een praktische noodzaak om te kunnen inspelen op de explosieve groei van bandbreedte, de afname van latentie en de opkomst van AI, IoT en grootschalige virtualisatie . Hyperscale-providers bereiden hun infrastructuren nu al voor op deze sprongen voorwaarts.

In deze context biedt gestructureerde glasvezelbekabeling een duidelijke weg voorwaarts. Architecturen gebaseerd op 16-vezelsinfrastructuren maken een ordelijke opschaling naar deze hoge snelheden mogelijk, waarbij de beschikbare bandbreedte efficiënt wordt benut en linkaggregatie en -deaggregatie worden gefaciliteerd.

Een goed doordacht ontwerp met 16 glasvezels kan er bijvoorbeeld voor zorgen dat één krachtige switch ongeveer 192 servers bedient , waardoor taken zoals het opzetten en beheren van een server worden vereenvoudigd , met aanzienlijke voordelen op het gebied van latentie, poortbenutting en totale kosten per getransporteerde bit.

Gespecialiseerde fabrikanten geven aan dat veel grote datacenters voor bedrijven en publieke cloudomgevingen een omslagpunt hebben bereikt waarop investeren in glasvezel "naar de server" de meest rationele optie is . Ze kijken naar hyperscale-omgevingen en concluderen dat het repliceren van deze strategieën op hun eigen schaal de enige manier is om achterstand te voorkomen.

Dit betekent niet dat koper volledig zal verdwijnen: er zullen nog steeds niches zijn met een lage bandbreedte en zeer korte afstanden waar het prijsverschil het gebruik ervan rechtvaardigt, met name in kleine datacenters of minder veeleisende scenario's. Maar de prominentie ervan neemt af en het gebruik ervan wordt steeds specifieker.

De rol van vezels in Latijns-Amerika en andere opkomende markten

De overgang naar glasvezeloplossingen beperkt zich niet tot grote Noord-Amerikaanse of Europese knooppunten. In Latijns-Amerika groeit de adoptie van glasvezel snel , wat de basis legt voor modernere en efficiëntere datacenternetwerken.

Recente gegevens van de OESO tonen aan dat landen zoals Costa Rica in slechts één jaar tijd een groei van bijna 74% in de aanleg van glasvezelnetwerken hebben gekend , terwijl Colombia en Mexico in dezelfde periode respectievelijk een stijging van 43% en 36% registreerden.

Deze sprong voorwaarts betekent niet dat koper van de ene op de andere dag uit het plaatje verdwijnt, maar het weerspiegelt wel een duidelijke verschuiving in investeringen naar glasvezelinfrastructuur , met name in die netwerksegmenten waar de voordelen op het gebied van afstand, capaciteit en verbruik het meest evident zijn.

In de praktijk zien we een hybride ecosysteem waarin glasvezel gereserveerd is voor backbone-verbindingen, aggregatie en kritieke netwerksegmenten , terwijl koper wordt hergebruikt in zeer lokale scenario's. Naarmate de kosten van glasvezel dalen en plug-and-play-oplossingen verbeteren, verzwakt het economische argument voor de verdere uitbreiding van de koperinfrastructuur.

Flexibiliteit: hét sleutelwoord in datacenterinfrastructuur.

Afgezien van het type kabel, is "flexibiliteit " het woord dat het vaakst terugkomt in moderne ontwerpen. Met veranderende werklasten, snel evoluerende technologieën en steeds volatielere energiebehoeften moeten datacenters zich kunnen aanpassen zonder langdurige shutdowns of grootschalige bouwprojecten.

Vanuit elektrisch oogpunt is de continuïteit van de dienstverlening cruciaal: elke onderbreking van de stroomvoorziening kan leiden tot gegevensverlies, kostbare storingen en reputatieschade . Betrouwbaarheid, redundantie en veerkracht zijn daarom fundamentele pijlers bij het ontwerp van elektrische distributiesystemen.

Tegelijkertijd staan ​​exploitanten onder steeds grotere druk om hun CO2-uitstoot te verminderen en de energie-efficiëntie te verbeteren . Volgens het Internationaal Energieagentschap zijn datacenters en communicatienetwerken al verantwoordelijk voor 2% tot 3% van het wereldwijde elektriciteitsverbruik en ongeveer 1% van de broeikasgasemissies.

Hoewel de schattingen uiteenlopen, wijst alles erop dat dit cijfer de komende jaren zal stijgen als er geen doortastende optimalisatiemaatregelen worden genomen . In dat scenario is een infrastructuur die herconfiguratie van de belasting, extra capaciteit of de integratie van nieuwe technologieën mogelijk maakt zonder de helft van het gebouw te hoeven herontwerpen, een belangrijk concurrentievoordeel.

Belangrijke maatregelen voor een flexibel datacenter

Om deze flexibiliteit te bereiken, vertrouwen datacenterbeheerders op verschillende complementaire strategieën die zowel de hardware als de beheer- en operationele lagen beïnvloeden. Tot de meest prominente behoren modulair ontwerp, geavanceerde automatisering, continue monitoring en gedecentraliseerde stroomdistributie.

Ten eerste maken het modulaire ontwerp en de infrastructuur het mogelijk om datacenterruimtes uit te breiden of opnieuw in te richten met minimale operationele impact . Modulaire ruimtes, geprefabriceerde racks, afgesloten warme en koude gangen en voorgemonteerde oplossingen faciliteren snelle migraties en verminderen risico's.

Automatisering en orkestratie spelen ook een centrale rol: intelligente tools voor resourcebeheer maken load balancing, traffic balancing, geoptimaliseerd servergebruik en ondersteuning bij piekvraag in realtime mogelijk, met minder handmatige tussenkomst en een kleinere foutmarge.

Bovendien bieden realtime monitoring- en analyseoplossingen inzicht in energieverbruik, temperaturen, havenbenutting en andere belangrijke parameters. Voorspellende analyse-algoritmen kunnen vervolgens op deze gegevens worden toegepast om storingen te voorspellen, inefficiënties op te sporen en uitbreidingen nauwkeuriger te plannen.

Ten slotte wint het idee van een decentrale elektriciteitsdistributie op basis van geprefabriceerde elektriciteitsleidingen aan populariteit . Dit brengt energie dichter bij de plek waar die nodig is, vermindert verliezen en maakt het gemakkelijker om modulair uit te breiden zonder onderbrekingen van de dienstverlening of grote interne werkzaamheden.

Gedecentraliseerde elektriciteitsdistributie en geprefabriceerde leidingen

Traditionele, sterk gecentraliseerde elektriciteitsdistributie kan in grote IT-ruimtes star en inefficiënt worden. Door een deel van die distributie te decentraliseren en de stroomafgiftepunten dichter bij de verbruikers te plaatsen , worden diverse voordelen behaald die relevant zijn voor de dagelijkse bedrijfsvoering.

Een van de eerste voordelen is de vermindering van transmissieverliezen . Als de stroomleidingen korter zijn en beter zijn afgestemd op het werkelijke verbruik, wordt elke geleverde watt efficiënter benut en worden spanningsverliezen en opwarming van de geleiders verminderd.

Het verbetert ook de betrouwbaarheid: een gedecentraliseerde architectuur minimaliseert de impact van een enkele storing . In plaats van dat één kritiek punt een groot gebied platlegt, blijven incidenten beperkt tot kleinere secties, wat redundantie en onderhoud vergemakkelijkt zonder het hele datacenter te beïnvloeden.

Wat schaalbaarheid betreft, maken geprefabriceerde elektrische buizen het mogelijk om vrijwel direct stroommodules of nieuwe aftakkingen toe te voegen , met aanzienlijk kortere installatietijden dan bij traditionele bekabelingsoplossingen. Dit vertaalt zich in meer flexibiliteit bij het integreren van nieuwe racks of het aanpassen van de belastingdichtheid.

Bovendien biedt de strategische plaatsing van de elektrische verdeelelementen in de ruimte de vrijheid om gangen, luchtstromen en databekabelingsroutes efficiënter te ontwerpen. Dit is met name belangrijk in omgevingen met een hoge bezettingsgraad, waar elke centimeter telt.

Voorbeeldoplossing: I-Line Track Busway-kanaal.

Een goed voorbeeld van deze aanpak zijn de geprefabriceerde elektrische kabelgootsystemen van het busway-type , zoals de I-Line Track Busway , die speciaal zijn ontworpen voor IT-ruimtes en moderne datacenters. Dit zijn robuuste, modulaire systemen die zijn ontworpen om veiligheid, flexibiliteit en efficiëntie te bieden.

De I-Line Track Busway-buis is bijvoorbeeld gecertificeerd volgens IEC 61439-6 en maakt gebruik van zeer zuiver koper , circa 99,9%, wat resulteert in een geleidbaarheid van meer dan 98%. Deze geleiderkwaliteit is essentieel om verliezen te minimaliseren en een stabiele stroomvoorziening te garanderen.

Een van de kenmerken is een insteeksysteem voor het snel aansluiten van verdeeldozen , waardoor aftakcircuits in slechts enkele seconden kunnen worden aangesloten dankzij flexibele klemmen die zorgen voor optimaal elektrisch contact. Dit verkort de installatietijd aanzienlijk en vermindert de kans op aansluitfouten.

Het omvat ook Easy Lock-ankers, een bekroonde oplossing voor het stevig bevestigen van de dozen aan de buis , evenals verbindingsblokken die een betrouwbare elektromechanische verbinding tussen secties garanderen, met bevestigingssystemen die zijn ontworpen voor snelle montage in productieomgevingen.

De aluminium behuizing is voorzien van sleuven waarin bijvoorbeeld extra communicatiebussen of zelfs glasvezelkabels kunnen worden geplaatst voor continue thermische bewaking van de pijpleiding zelf. Bovendien maken de bewakingssystemen aan het begin van de pijpleiding het mogelijk om het energieverbruik, de belasting en alarmen te controleren, wat zorgt voor extra inzicht en veiligheid.

Ten slotte bieden aansluitdozen doorgaans voldoende capaciteit voor beveiligingsapparatuur, signaleringsapparatuur en stopcontacten , en zijn ze ontworpen om met maximale veiligheid te worden geïnstalleerd en verwijderd. Dit vereenvoudigt onderhouds- en uitbreidingswerkzaamheden aanzienlijk zonder de werking te belemmeren.

Koperloze data- en stroomverbindingen: de gok op stroom via glasvezel.

Naast het vervangen van koper door glasvezel in datatransport, gaan sommige fabrikanten nog een stap verder met oplossingen die koper zelfs uit de stroomvoorziening van bepaalde apparatuur elimineren , met name in kritieke synchronisatie- en signaleringstoepassingen.

Een treffend voorbeeld is HUBER+SUHNER, dat een volledig koperloze data- en stroomverbinding heeft ontwikkeld als onderdeel van zijn GNSS- (Global Navigation Satellite System) en Power-over-Fiber-technologieoplossing. Dit soort systemen is met name interessant voor datacenters en 5G-omgevingen die een uiterst nauwkeurige tijdsynchronisatie vereisen.

Traditioneel werden GNSS-antennes gevoed met koperkabels die zowel stroom als signaal transporteerden , vaak met een extra kabel speciaal voor de stroomvoorziening. Dit bemoeilijkt de fysieke installatie, verhoogt het gewicht van de bekabeling en beperkt de werkingsafstanden.

De HUBER+SUHNER GNSS power-over-fiber-oplossing maakt een aparte voedingskabel overbodig doordat de glasvezel zelf tegelijkertijd signaal en stroom naar de antenne transporteert. Dit vereenvoudigt de installatie, verkort de implementatietijd en minimaliseert de afhankelijkheid van voedingskanalen in moeilijk bereikbare plafonds of nissen.

Een van de grootste voordelen van deze aanpak is dat de mogelijke afstand tussen zender en ontvanger wordt vergroot van enkele meters tot meerdere kilometers , zonder de signaalverslechtering en beperkingen die koper met zich meebrengt. Dit zorgt voor veel meer flexibiliteit bij de distributie van GNSS-signalen via de interne glasvezelinfrastructuur van een gebouw of campus.

Voordelen van GNSS en Power-over-Fiber in datacenters

Satellietsignalen bereiken zelden sterk geïsoleerde binnenruimtes, zoals datacenters , met voldoende sterkte vanwege de afscherming die de gebouwconstructie zelf biedt. Door GNSS-ontvangst buitenshuis te combineren met interne glasvezeldistributie, kunnen nauwkeurige tijdreferenties worden geleverd aan de ruimtes waar ze echt nodig zijn.

Deze combinatie maakt het mogelijk om GNSS-signalen veilig, betrouwbaar en robuust door het hele gebouw te verspreiden , waardoor de synchronisatie van netwerkapparatuur, telecommunicatiesystemen en applicaties die afhankelijk zijn van zeer nauwe referentietijden, wordt verbeterd.

Door glasvezelkabel te gebruiken als medium voor energie- en signaaldistributie, wordt een vrijwel onbeperkte tijdsreferentieafstand bereikt, met minder gevoeligheid voor elektromagnetische interferentie . In tegenstelling tot koper fungeert glasvezelkabel niet als een ruisantenne, waardoor de kwaliteit van de gedistribueerde signalen verbetert.

Voor providers en operators betekent dit dat ze de bestaande glasvezelinfrastructuur kunnen benutten , alleen betalen voor de daadwerkelijk gebruikte capaciteit en ruimte overhouden voor toekomstige uitbreiding zonder dat ze de bekabeling volledig opnieuw hoeven aan te leggen. Het is een duidelijk toekomstgerichte strategie die goed aansluit bij de filosofie van modulaire en schaalbare datacenters.

Operationeel gezien worden, door het vermijden van extra koperbekabeling en het gebruik van dezelfde glasvezelverbinding voor stroom en signaal, de installatiekosten, de implementatietijd en het aantal potentiële storingen verminderd . Dit is van groot belang in omgevingen waar onderhoudsintervallen minimaal zijn.

Deze hele reeks trends – de overstap van koper naar glasvezel, de decentralisatie van de stroomdistributie, de toepassing van geprefabriceerde leidingen en de opkomst van koperloze stroomverbindingen zoals Power-over-Fiber – stuwt datacenters naar efficiëntere, veerkrachtigere en schaalbare architecturen . Datacenters die deze elementen effectief kunnen combineren, zullen beter in staat zijn om de explosieve groei in de vraag naar data op te vangen, duurzaamheidsdoelen te bereiken en zich aan te passen aan de volgende technologische ontwikkelingen zonder telkens helemaal opnieuw te hoeven beginnen.