Byfibermall

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)(DCN)面臨著視頻流、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和云計(jì)算等應(yīng)用帶來的數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)電子交換機(jī)難以滿足不斷增長(zhǎng)的帶寬和連接需求，同時(shí)又要保持低功耗和低延遲。光交換機(jī)技術(shù)通過提供高帶寬、低延遲和節(jié)能的交換，為這些挑戰(zhàn)提供了有希望的解決方案。

本文概述了下一代數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算(HPC)網(wǎng)絡(luò)的光開關(guān)架構(gòu)。我們將介紹關(guān)鍵性能指標(biāo)、交換機(jī)架構(gòu)、集成光開關(guān)技術(shù)和示例實(shí)現(xiàn)。最后，我們將討論數(shù)據(jù)中心光開關(guān)面臨的挑戰(zhàn)和未來前景。

關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)

在評(píng)估數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的光開關(guān)時(shí)，必須考慮幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：

容量：需要高帶寬交換，特別是機(jī)架間和集群間通信。

延遲：低延遲（微秒或更短）對(duì)于許多數(shù)據(jù)中心應(yīng)用程序來說非常重要。

互聯(lián)互通：交換機(jī)必須支持服務(wù)器之間的大量并發(fā)流。

可擴(kuò)展性：網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠以經(jīng)濟(jì)有效的方式擴(kuò)展到大量節(jié)點(diǎn)。

重構(gòu)速度：快速的交換機(jī)重構(gòu)（納秒到微秒）實(shí)現(xiàn)了靈活的帶寬分配。

功率效率：未來DCN的能耗應(yīng)控制在1pJ/bit左右或更低。

成本：每個(gè)端口的成本目標(biāo)約為10美元，以便與電子交換機(jī)競(jìng)爭(zhēng)。

插入損耗：需要低損耗（<10dB），尤其是對(duì)于級(jí)聯(lián)交換機(jī)。

串?dāng)_：大型開關(guān)矩陣的典型要求是<-35dB。

端口數(shù)量：數(shù)據(jù)中心應(yīng)用至少需要16-32個(gè)端口。

光開關(guān)架構(gòu)

光開關(guān)架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算光互連中扮演著至關(guān)重要的角色。隨著數(shù)據(jù)傳輸量的爆炸式增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的電子芯片在交換速率和容量擴(kuò)展方面面臨挑戰(zhàn)。硅基光子器件因其高速、低功耗、大帶寬和良好的CMOS工藝兼容性，成為后摩爾時(shí)代突破芯片容量瓶頸的有前途的解決方案。

光開關(guān)技術(shù)主要包括馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）型、微環(huán)諧振器（MRR）型和微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）驅(qū)動(dòng)波導(dǎo)型三種。MZI型光開關(guān)利用熱光效應(yīng)或載流子注入效應(yīng)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，而MRR型則利用微環(huán)諧振器的諧振特性來控制光信號(hào)的傳輸。MEMS光開關(guān)則通過微機(jī)械方式改變光路，實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。

在大規(guī)模光開關(guān)陣列的構(gòu)建中，常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括廣播和選擇、切換和選擇以及擴(kuò)展的Benes結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)光信號(hào)快速交換的同時(shí)，需要考慮插入損耗、串?dāng)_、擴(kuò)展性、結(jié)構(gòu)緊湊性、批量生產(chǎn)適應(yīng)性、操作便捷性、可靠性和壽命等因素。

硅基光波導(dǎo)開關(guān)技術(shù)因其低成本和廣泛的應(yīng)用前景，在電信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算領(lǐng)域中備受關(guān)注。近年來的研究進(jìn)展主要集中在提高開關(guān)性能、降低功耗、減小芯片尺寸以及提高集成度和成品率上。例如，通過優(yōu)化MZI型光開關(guān)單元結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)低插入損耗和高消光比的開關(guān)性能。此外，通過采用先進(jìn)的CMOS工藝和封裝技術(shù)，可以進(jìn)一步降低光開關(guān)的成本和提高其可靠性。

集成光電開關(guān)技術(shù)

目前，有多種光電集成平臺(tái)正在被開發(fā)用于光交換。

硅基光電子技術(shù)

● 采用成熟的CMOS制造工藝

● 規(guī)?；a(chǎn)具有成本優(yōu)勢(shì)

緊湊型設(shè)備

● 高插入損耗和串?dāng)_

● 通常使用熱光或電光開關(guān)

示例：64×64熱光Benesh開關(guān)，插入損耗為12-18dB

InP光電技術(shù)

● 可集成有源元件（激光器、SOA）

● 低損耗、高消光比開關(guān)

● 切換速度快（納秒）

● 成本高于硅

示例：基于16×16SOA的無損操作演示

硅基III-V混合器件

● 結(jié)合InP和硅的優(yōu)點(diǎn)

● 實(shí)現(xiàn)低損耗開關(guān)和集成增益

● 仍是新興技術(shù)

硅基光電開關(guān)結(jié)構(gòu)

硅基光子學(xué)為大規(guī)模開關(guān)集成提供了低成本平臺(tái)。硅開關(guān)主要有兩種類型：1.熱光(TO)多路復(fù)用器開關(guān)：

● 使用加熱器引起相移

● 開關(guān)速度相對(duì)較慢（~μs）

● 功耗低于電光

使用路徑無關(guān)損耗(PILOSS)架構(gòu)的32×32TO開關(guān)的演示數(shù)據(jù)為10.8dB平均插入損耗、3.5nm帶寬和-20dB串?dāng)_。

較大的64×64TOBene?開關(guān)在45nm帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了12-18dB的插入損耗和-30到-44dB的串?dāng)_。

電光(EO)多路復(fù)用器開關(guān)

● 利用載流子注入/耗盡實(shí)現(xiàn)相移

● 快速切換（~ns）

● 功耗比TO高

● 32×32EOBene?開關(guān)的片上損耗為13-19dB，串?dāng)_為-15至-25dB，切換時(shí)間為1-1.2ns。

InP光開關(guān)結(jié)構(gòu)：InP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體光放大器（SOA）等有源元件的單片集成，從而實(shí)現(xiàn)無損切換操作。

主要示范包括：

● 16×16全主動(dòng)SOA開關(guān)

● 16×16主動(dòng)-被動(dòng)SOA開關(guān)，實(shí)現(xiàn)更高的電源效率

● 8x8x8λ空間和波長(zhǎng)選擇開關(guān)

該交換機(jī)結(jié)合了空間和波長(zhǎng)域交換，可實(shí)現(xiàn)高連接性和數(shù)據(jù)容量，實(shí)現(xiàn)>27dBOSNR、13.3dB片上損耗和5ns重新配置時(shí)間。

異質(zhì)光電集成開關(guān)結(jié)構(gòu)：InP有源器件與硅無源器件的混合集成，綜合了兩種平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)。具體方法包括：

● 將InPSOA倒裝芯片與硅基光電電路結(jié)合

● 在一塊硅片上生長(zhǎng)III-V材料

● 將III-V族器件轉(zhuǎn)印到硅上

該開關(guān)采用硅AWG進(jìn)行波分復(fù)用，采用倒裝芯片鍵合InPSOA進(jìn)行開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了16dB的增益和34dB的開/關(guān)比。

使用光開關(guān)的數(shù)據(jù)中心互連架構(gòu)

針對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)提出了幾種利用光開關(guān)的架構(gòu)：1.分布式深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練：光路開關(guān)(OCS)用于動(dòng)態(tài)重組服務(wù)器并引導(dǎo)帶寬以應(yīng)對(duì)分布式深度學(xué)習(xí)工作負(fù)載。與靜態(tài)拓?fù)湎啾龋?6節(jié)點(diǎn)測(cè)試平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)性能提高了3.6倍。

HPC的帶寬控制：Flexfly架構(gòu)使用硅光子開關(guān)在HPC網(wǎng)絡(luò)中的蜻蜓組之間切換全局鏈路。這允許動(dòng)態(tài)重新配置以匹配應(yīng)用程序的流量模式。

分布式數(shù)據(jù)中心：DACON架構(gòu)采用納秒光開關(guān)，可以靈活配置分布式數(shù)據(jù)中心的資源，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與以服務(wù)器為中心的架構(gòu)相比，應(yīng)用運(yùn)行速度提升1.74倍，功耗降低34%。

大規(guī)?？焖俟饴方粨Q：硅基光開關(guān)的多級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)非常高的端口數(shù)。演示了9級(jí)32×32開關(guān)的級(jí)聯(lián)，展示了131,072×131,072端口嚴(yán)格無阻塞網(wǎng)絡(luò)的可行性。

挑戰(zhàn)與未來前景

光開關(guān)雖然在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域有著廣闊的前景，但也面臨不少挑戰(zhàn)：

封裝：熱管理、電/光接口和機(jī)械可靠性需要進(jìn)一步開發(fā)。

可擴(kuò)展性：插入損耗和串?dāng)_限制了開關(guān)的尺寸。設(shè)計(jì)和制造工藝需要改進(jìn)。

控制：需要快速、可擴(kuò)展的控制平面來管理大型交換結(jié)構(gòu)。

功耗：降低靜態(tài)功耗，特別是對(duì)于具有大量端口的設(shè)備。

制造工藝：嚴(yán)格控制波導(dǎo)尺寸對(duì)于波長(zhǎng)選擇裝置來說非常重要。

爭(zhēng)用解決：由于缺乏光學(xué)緩沖區(qū)，爭(zhēng)用處理變得困難。

應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的未來研究方向包括：

● 先進(jìn)封裝技術(shù)

● III-V族和硅的混合/異質(zhì)集成

● 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的控制算法

● 提高可擴(kuò)展性的新交換機(jī)架構(gòu)

● 與新興計(jì)算范式（神經(jīng)形態(tài)、量子）的融合

總結(jié)

光交換結(jié)構(gòu)為下一代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的帶寬、延遲和能效挑戰(zhàn)提供了解決方案。硅基光電子技術(shù)為低成本、大規(guī)模集成提供了途徑，而III-V材料則可實(shí)現(xiàn)高性能有源器件。結(jié)合兩種平臺(tái)優(yōu)勢(shì)的混合方法顯示出巨大的潛力。

隨著制造和集成技術(shù)的成熟，我們可以預(yù)見光開關(guān)將在數(shù)據(jù)中心架構(gòu)中發(fā)揮越來越重要的作用。這將推動(dòng)人工智能和科學(xué)計(jì)算等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的發(fā)展，同時(shí)降低成本和能耗。繼續(xù)研究和開發(fā)光開關(guān)對(duì)于滿足未來計(jì)算系統(tǒng)的互連需求至關(guān)重要。

生成海報(bào)

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站內(nèi)容主要來自原創(chuàng)、合作伙伴供稿和第三方自媒體作者投稿，凡在本網(wǎng)站出現(xiàn)的信息，均僅供參考。本網(wǎng)站將盡力確保所提供信息的準(zhǔn)確性及可靠性，但不保證有關(guān)資料的準(zhǔn)確性及可靠性，讀者在使用前請(qǐng)進(jìn)一步核實(shí)，并對(duì)任何自主決定的行為負(fù)責(zé)。本網(wǎng)站對(duì)有關(guān)資料所引致的錯(cuò)誤、不確或遺漏，概不負(fù)任何法律責(zé)任。任何單位或個(gè)人認(rèn)為本網(wǎng)站中的網(wǎng)頁或鏈接內(nèi)容可能涉嫌侵犯其知識(shí)產(chǎn)權(quán)或存在不實(shí)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)及時(shí)向本網(wǎng)站提出書面權(quán)利通知或不實(shí)情況說明，并提供身份證明、權(quán)屬證明及詳細(xì)侵權(quán)或不實(shí)情況證明。本網(wǎng)站在收到上述法律文件后，將會(huì)依法盡快聯(lián)系相關(guān)文章源頭核實(shí)，溝通刪除相關(guān)內(nèi)容或斷開相關(guān)鏈接。