下一代数据中心光网络的光开关

Byfibermall

数据中心网络(DCN)面临着视频流、人工智能、机器学习和云计算等应用带来的数据流量呈指数级增长的挑战。传统电子交换机难以满足不断增长的带宽和连接需求，同时又要保持低功耗和低延迟。光交换机技术通过提供高带宽、低延迟和节能的交换，为这些挑战提供了有希望的解决方案。

本文概述了下一代数据中心和高性能计算(HPC)网络的光开关架构。我们将介绍关键性能指标、交换机架构、集成光开关技术和示例实现。最后，我们将讨论数据中心光开关面临的挑战和未来前景。

关键绩效指标

在评估数据中心应用的光开关时，必须考虑几个关键指标：

容量：需要高带宽交换，特别是机架间和集群间通信。

延迟：低延迟（微秒或更短）对于许多数据中心应用程序来说非常重要。

互联互通：交换机必须支持服务器之间的大量并发流。

可扩展性：网络应该能够以经济有效的方式扩展到大量节点。

重构速度：快速的交换机重构（纳秒到微秒）实现了灵活的带宽分配。

功率效率：未来DCN的能耗应控制在1pJ/bit左右或更低。

成本：每个端口的成本目标约为10美元，以便与电子交换机竞争。

插入损耗：需要低损耗（<10dB），尤其是对于级联交换机。

串扰：大型开关矩阵的典型要求是<-35dB。

端口数量：数据中心应用至少需要16-32个端口。

光开关架构

光开关架构在数据中心和高性能计算光互连中扮演着至关重要的角色。随着数据传输量的爆炸式增长，传统的电子芯片在交换速率和容量扩展方面面临挑战。硅基光子器件因其高速、低功耗、大带宽和良好的CMOS工艺兼容性，成为后摩尔时代突破芯片容量瓶颈的有前途的解决方案。

光开关技术主要包括马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型、微环谐振器（MRR）型和微电子机械系统（MEMS）驱动波导型三种。MZI型光开关利用热光效应或载流子注入效应实现相位调制，而MRR型则利用微环谐振器的谐振特性来控制光信号的传输。MEMS光开关则通过微机械方式改变光路，实现开关功能。

在大规模光开关阵列的构建中，常见的拓扑结构包括广播和选择、切换和选择以及扩展的Benes结构。这些结构在实现光信号快速交换的同时，需要考虑插入损耗、串扰、扩展性、结构紧凑性、批量生产适应性、操作便捷性、可靠性和寿命等因素。

硅基光波导开关技术因其低成本和广泛的应用前景，在电信网络、数据中心和高性能计算领域中备受关注。近年来的研究进展主要集中在提高开关性能、降低功耗、减小芯片尺寸以及提高集成度和成品率上。例如，通过优化MZI型光开关单元结构，可以实现低插入损耗和高消光比的开关性能。此外，通过采用先进的CMOS工艺和封装技术，可以进一步降低光开关的成本和提高其可靠性。

集成光电开关技术

目前，有多种光电集成平台正在被开发用于光交换。

硅基光电子技术

● 采用成熟的CMOS制造工艺

● 规模化生产具有成本优势

紧凑型设备

● 高插入损耗和串扰

● 通常使用热光或电光开关

示例：64×64热光Benesh开关，插入损耗为12-18dB

InP光电技术

● 可集成有源元件（激光器、SOA）

● 低损耗、高消光比开关

● 切换速度快（纳秒）

● 成本高于硅

示例：基于16×16SOA的无损操作演示

硅基III-V混合器件

● 结合InP和硅的优点

● 实现低损耗开关和集成增益

● 仍是新兴技术

硅基光电开关结构

硅基光子学为大规模开关集成提供了低成本平台。硅开关主要有两种类型：1.热光(TO)多路复用器开关：

● 使用加热器引起相移

● 开关速度相对较慢（~μs）

● 功耗低于电光

使用路径无关损耗(PILOSS)架构的32×32TO开关的演示数据为10.8dB平均插入损耗、3.5nm带宽和-20dB串扰。

较大的64×64TOBeneš开关在45nm带宽内实现了12-18dB的插入损耗和-30到-44dB的串扰。

电光(EO)多路复用器开关

● 利用载流子注入/耗尽实现相移

● 快速切换（~ns）

● 功耗比TO高

● 32×32EOBeneš开关的片上损耗为13-19dB，串扰为-15至-25dB，切换时间为1-1.2ns。

InP光开关结构：InP技术可以实现半导体光放大器（SOA）等有源元件的单片集成，从而实现无损切换操作。

主要示范包括：

● 16×16全主动SOA开关

● 16×16主动-被动SOA开关，实现更高的电源效率

● 8x8x8λ空间和波长选择开关

该交换机结合了空间和波长域交换，可实现高连接性和数据容量，实现>27dBOSNR、13.3dB片上损耗和5ns重新配置时间。

异质光电集成开关结构：InP有源器件与硅无源器件的混合集成，综合了两种平台的优点。具体方法包括：

● 将InPSOA倒装芯片与硅基光电电路结合

● 在一块硅片上生长III-V材料

● 将III-V族器件转印到硅上

该开关采用硅AWG进行波分复用，采用倒装芯片键合InPSOA进行开关，实现了16dB的增益和34dB的开/关比。

使用光开关的数据中心互连架构

针对数据中心网络，已经提出了几种利用光开关的架构：1.分布式 学习训练：光路开关(OCS)用于动态重组服务器并引导带宽以应对分布式 学习工作负载。与静态拓扑相比，16节点测试平台的网络性能提高了3.6倍。

HPC的带宽控制：Flexfly架构使用硅光子开关在HPC网络中的蜻蜓组之间切换全局链路。这允许动态重新配置以匹配应用程序的流量模式。

分布式数据中心：DACON架构采用纳秒光开关，可以灵活配置分布式数据中心的资源，实验结果表明，与以服务器为中心的架构相比，应用运行速度提升1.74倍，功耗降低34%。

大规模快速光路交换：硅基光开关的多级Clos网络可以实现非常高的端口数。演示了9级32×32开关的级联，展示了131,072×131,072端口严格无阻塞网络的可行性。

挑战与未来前景

光开关虽然在数据中心领域有着广阔的前景，但也面临不少挑战：

封装：热管理、电/光接口和机械可靠性需要进一步开发。

可扩展性：插入损耗和串扰限制了开关的尺寸。设计和制造工艺需要改进。

控制：需要快速、可扩展的控制平面来管理大型交换结构。

功耗：降低静态功耗，特别是对于具有大量端口的设备。

制造工艺：严格控制波导尺寸对于波长选择装置来说非常重要。

争用解决：由于缺乏光学缓冲区，争用处理变得困难。

应对这些挑战的未来研究方向包括：

● 先进封装技术

● III-V族和硅的混合/异质集成

● 基于机器学习的控制算法

● 提高可扩展性的新交换机架构

● 与新兴计算范式（神经形态、量子）的融合

总结

光交换结构为下一代数据中心网络的带宽、延迟和能效挑战提供了解决方案。硅基光电子技术为低成本、大规模集成提供了途径，而III-V材料则可实现高性能有源器件。结合两种平台优势的混合方法显示出巨大的潜力。

随着制造和集成技术的成熟，我们可以预见光开关将在数据中心架构中发挥越来越重要的作用。这将推动人工智能和科学计算等数据密集型应用的发展，同时降低成本和能耗。继续研究和开发光开关对于满足未来计算系统的互连需求至关重要。

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