Fiber Optic Backplanes als Rückgrat moderner Industrierechner

Wachstumsmarkt Glasfasertechnik

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Fiber To The Home (FTTH) – ein Glasfaseranschluss zu jedem Haus – unter dieser Formel erwarten Experten in den nächsten Jahren einen riesigen Wachstumsmarkt. Was schon heute in Länder übergreifenden, in landesweiten und in fortschrittlichen Firmennetzen Stand der Technik ist, soll in naher Zukunft – unterstützt durch moderne Backplanes – flächendeckender Verkabelungsstandard werden.

Dipl.-Ing. Manuel Kurth ist bei Rittal Fachberater für den Bereich Elektronik und – bereits durch seine frühere Tätigkeit bei Infineon – langjährig spezialisiert im Bereich Fiber Optics

Fast explosionsartig verlaufen die Innovationsschübe in der Rechnertechnologie, hin zu immer höheren Leistungen, die noch vor kurzer Zeit kaum denkbar waren. So ist heute schon ein braver Home-PC erheblich leistungsfähiger, als die Mainframes, welche die Nasa bei der Mondlandung unterstützten. Und der realistische und blitzschnelle Grafikaufbau eines PC-Flugsimulators, hätte noch vor wenigen Jahren einen Rechner in Schrankgröße erfordert.
Die ständig wachsenden Taktraten der Prozessoren fordern unerbittlich das sichere Handling höchster Datenübertragungsraten. Speziell gilt dies bei kommerziellen Anwendungen mit redundanten Systemen und ganz allgemein bei Rechnersystemen mit mehreren, verteilten Sys-temkarten. Auch die jüngst eingeführte Möglichkeit, Verbindungen über das Internet herzustellen, verlangt nach neuen Wegen der Datenübertragung. Hier bieten sich die Glasfaserverbindungen an, die neben hohen Datenübertragungsraten durch ihre aktive und passive Störsicherheit, ihre völlige Freiheit von Elektro-smog-Problematiken und die Reduzierung auf einen einzigen Kabelzugang für alle Kommunikationsdienste bestechen.
Busplatinen als Rückrat und Nervenzentrum
Bis zu 20 Lagen können moderne Busplatinen aufweisen. Dennoch lässt sich ein Übersprechen bei Taktfrequenzen über 1 GHz kaum noch verhindern, ganz zu schweigen von den dabei auftretenden EMV-Problemen. Hinzu kommt, dass Weiterentwicklungen über die erwähnten 20 Layer hinaus vor einer kaum zu überwindenden Wirtschaftlichkeits-Barriere stehen. Kupferlösungen stoßen, gerade durch den explosiv wachsenden IT-Markt, an ihre physikalischen Leistungsgrenzen. Ein Lösungsansatz könnte sein, die Adressen und wenige Kontrollbits weiterhin über die Kupferleitungen, die Flut der Daten dagegen über neue Fiberoptic-Verbindungen zu übertragen.
Durch die immer kleineren Maße der FO-Steckverbinder hat auch die Übersichtlichkeit der Frontverkabelung von Industrierechnersystemen stark gelitten (auf einer einzigen 3HE hohen Frontplatte können bis zu 16 MU-Stecker sitzen). Muss ein Bord gewechselt werden, sind Probleme vorprogrammiert: Fasern können vertauscht werden, es können andere Stecker als gewünscht versehentlich gelöst oder gelockert werden, und es kann bei unachtsamer Handhabung sehr schnell eine Faser brechen. Telefongesellschaften haben deshalb die Steckverbinder von der Frontplatte verbannt: Gesteckt werden darf nur hinten auf der Backplane. Für Busplatinenanwendungen unterscheidet man dabei zwei Steckertypen: den MU und den MT Ferrule.
Neue „optische“ Perspektiven
In Zusammenarbeit mit seiner kanadischen Unternehmenstochter Kaparel stellt Rittal ein neues Fiber-Optik-Sys-tem auf Backplanes vor. Es basiert auf dem weltweit akzeptierten MU-Backplanestecker im CompactPCI-Design mit Kodierung (auch als Mini SC bekannt). Dabei werden zwei J4-Stecker durch je einen 8-fach MU und zwei weitere durch je einen 6-fach Koax-Stecker ersetzt. Denkbar ist aber auch, alle Steckplätze einer Backplane mit Fiberoptiksteckern auszustatten.
Die Fiberoptik-Kanäle einer Leiterplatte können nicht nur als I/O nach außen benutzt werden: Es lassen sich zudem interne Verbindungen von Rechnereinschub zu Rechnereinschub realisieren. Damit liegt es in der Hand des Systemdesigners, eine High-speed-Fiberoptik-Backplane mit bis zu 10 Gbit/s Übertragungsrate zu konfigurieren.
Die Entwicklung geht weiter
Bereits mit der neuen Backplane aus dem Geschäftsbereich Rittal Electronic Sys-tems (RES) können also sichere und schnelle Glasfaserverbindungen realisiert werden. Aber die Entwicklung geht weiter: Gearbeitet wird an Transmittern/Receivern, die als aktives Element mit einem 8-fach MU-Stecker direkt an den Leiterplattenrand rutschen. Diese fungieren dann als „aktiver Stecker“ und vermeiden so alle Übergabeverluste.
An der Entwicklung von „Hybrid Backplanes“ und „Real Fiber Backplanes“ wird ebenfalls mit großem Aufwand geforscht. Die Entwickler bezeichnen die nächste Entwicklungsstufe von Backplanes – mit Adressierung über Kupferverbindung und Datenaustausch über Lichtleitfasern in der Backplane – als Hybridlösung. „Real Fiber Backplane“ sind in dieser Terminologie Systeme mit in der Backplane integrierten Glasfasern und ebenfalls integrierten Transmittern/Receivern. Hybrid, im eigentlichen Sinn, werden alle Lösungen der nahen Zukunft sein, da weiterhin zumindest die Stromversorgung über Kupfer erfolgen wird.
Bei zukünftigen „Hybrid Backplanes“ stellt die Umlenkung auf engstem Raum ein großes Problem dar. Zwei Lösungsansätze werden verfolgt:
m Die Umlenkung über Spiegel, ist eine teure und fertigungstechnisch aufwendige Lösung, da jeder Spiegel einzeln justiert werden muss.
m Die Einkopplung in eine Art „V-Nut“ in einer POF-Faser ergibt die vorteilhaftere Lösung, die bestehende Backplanes ergänzen, in absehbarer Zeit jedoch nicht vollständig verdrängen wird.
FTTH auf dem Vormarsch
Die Möglichkeiten der Fiberoptic sind bestechend und könnten auch den Arbeitsalltag durchgreifend verändern. So profitieren z.B. Home Offices vom hohen Datendurchsatz. Nicht nur für Arbeitnehmer, auch für Arbeitgeber bieten solchermaßen aufgewertete Heimarbeitsplätze, bei konsequenter Nutzung, beachtenswerte Gestaltungsmöglichkeiten und finanzielle Vorteile. So verspricht sich Japan von FTTH eine wesentliche Entzerrung des Verkehrswesens.
Heute werden Haushalte typischer Weise über zwei Kabel versorgt (respektive über Kabel plus Sattelitenschüssel): Je eines für Telefon und eines für TV und Radio. In der bisherigen Kupfertechnik ist dies nicht immer unproblematisch. So musste in Berlin und Düsseldorf die Leistung auf dem Koax-Kabel für Fernsehen partiell gedrosselt werden, da der Flugfunk erheblich gestört wurde. Lösungsansätzen zu dieser Problematik, mit mehrfach geschirmten Kabeln und Mehrkammersteckern, haften aber die kupfertypischen Leistungsgrenzen und hohe Kosten an.
Einige deutsche Städte verlegen bereits jetzt Glasfaserkabel bis zu jedem Gebäude. Im Haus wird weiter mit Kupferverkabelung gearbeitet, da die Installationstechnik für Mehrfach-Glasfasersteckdosen noch nicht ausgereift ist. Erste Fernsehgeräte und Telefone mit Glasfaseranschluss sind in den USA bereits im Einsatz. Wie so oft, ist Japan Vorreiter in FTTH, aber auch in einigen Landesteilen Kanadas und in Schweden wird mit Hochdruck am Ausbau gearbeitet.
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