下一代數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)絡(luò)的光開關(guān)

Byfibermall

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)(DCN)面臨著視頻流、人工智能、機器學習和云計算等應(yīng)用帶來的數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級增長的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)電子交換機難以滿足不斷增長的帶寬和連接需求，同時又要保持低功耗和低延遲。光交換機技術(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、交換機架構(gòu)、集成光開關(guān)技術(shù)和示例實現(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)鍵績效指標

在評估數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的光開關(guān)時，必須考慮幾個關(guān)鍵指標：

容量：需要高帶寬交換，特別是機架間和集群間通信。

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

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

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

重構(gòu)速度：快速的交換機重構(gòu)（納秒到微秒）實現(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：每個端口的成本目標約為10美元，以便與電子交換機競爭。

插入損耗：需要低損耗（<10dB），尤其是對于級聯(lián)交換機。

串擾：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，傳統(tǒng)的電子芯片在交換速率和容量擴展方面面臨挑戰(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）型和微電子機械系統(tǒng)（MEMS）驅(qū)動波導(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的傳輸。MEMS光開關(guān)則通過微機械方式改變光路，實現(xiàn)開關(guān)功能。

在大規(guī)模光開關(guān)陣列的構(gòu)建中，常見的拓撲結(jié)構(gòu)包括廣播和選擇、切換和選擇以及擴展的Benes結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)光信號快速交換的同時，需要考慮插入損耗、串擾、擴展性、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)中心和高性能計算領(lǐng)域中備受關(guān)注。近年來的研究進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，通過采用先進的CMOS工藝和封裝技術(shù)，可以進一步降低光開關(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

緊湊型設(shè)備

● 高插入損耗和串擾

● 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

● 實現(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)

硅基光子學為大規(guī)模開關(guān)集成提供了低成本平臺。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串擾。

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

電光(EO)多路復(fù)用器開關(guān)

● 利用載流子注入/耗盡實現(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，串擾為-15至-25dB，切換時間為1-1.2ns。

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

主要示范包括：

● 16×16全主動SOA開關(guān)

● 16×16主動-被動SOA開關(guān)，實現(xiàn)更高的電源效率

● 8x8x8λ空間和波長選擇開關(guān)

該交換機結(jié)合了空間和波長域交換，可實現(xiàn)高連接性和數(shù)據(jù)容量，實現(xiàn)>27dBOSNR、13.3dB片上損耗和5ns重新配置時間。

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，綜合了兩種平臺的優(yōu)點。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進行波分復(fù)用，采用倒裝芯片鍵合InPSOA進行開關(guān)，實現(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.分布式深度學習訓(xùn)練：光路開關(guān)(OCS)用于動態(tài)重組服務(wù)器并引導(dǎo)帶寬以應(yīng)對分布式深度學習工作負載。與靜態(tài)拓撲相比，16節(jié)點測試平臺的網(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，實驗結(jié)果表明，與以服務(wù)器為中心的架構(gòu)相比，應(yīng)用運行速度提升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Clos網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)非常高的端口數(shù)。演示了9級32×32開關(guān)的級聯(lián)，展示了131,072×131,072端口嚴格無阻塞網(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/光接口和機械可靠性需要進一步開發(fā)。

可擴展性：插入損耗和串擾限制了開關(guān)的尺寸。設(shè)計和制造工藝需要改進。

控制：需要快速、可擴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，特別是對于具有大量端口的設(shè)備。

制造工藝：嚴格控制波導(dǎo)尺寸對于波長選擇裝置來說非常重要。

爭用解決：由于缺乏光學緩沖區(qū)，爭用處理變得困難。

應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的未來研究方向包括：

● 先進封裝技術(shù)

● III-V族和硅的混合/異質(zhì)集成

● 基于機器學習的控制算法

● 提高可擴展性的新交換機架構(gòu)

● 與新興計算范式（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材料則可實現(xiàn)高性能有源器件。結(jié)合兩種平臺優(yōu)勢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。這將推動人工智能和科學計算等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的發(fā)展，同時降低成本和能耗。繼續(xù)研究和開發(fā)光開關(guān)對于滿足未來計算系統(tǒng)的互連需求至關(guān)重要。

生成海報

免責聲明：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確性及可靠性，但不保證有關(guān)資料的準確性及可靠性，讀者在使用前請進一步核實，并對任何自主決定的行為負責。本網(wǎng)站對有關(guān)資料所引致的錯誤、不確或遺漏，概不負任何法律責任。任何單位或個人認為本網(wǎng)站中的網(wǎng)頁或鏈接內(nèi)容可能涉嫌侵犯其知識產(chǎn)權(quán)或存在不實內(nèi)容時，應(yīng)及時向本網(wǎng)站提出書面權(quán)利通知或不實情況說明，并提供身份證明、權(quán)屬證明及詳細侵權(quán)或不實情況證明。本網(wǎng)站在收到上述法律文件后，將會依法盡快聯(lián)系相關(guān)文章源頭核實，溝通刪除相關(guān)內(nèi)容或斷開相關(guān)鏈接。