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下一代数据中心光网络的光开关

简介

由于视频流、人工智能、机器学习和云计算等应用驱动的数据流量呈指数级增长，数据中心网络（DCN）面临挑战。传统的电子交换机难以满足日益增长的带宽和连接需求，同时保持低功耗和低延迟。光开关技术通过提供高带宽、低延迟和高能效的交换，为应对这些挑战提供了有前景的解决方案。

本文概述了下一代数据中心和高性能计算（HPC）网络的光开关结构。我们将介绍关键性能指标、开关架构、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 [1]。

关键性能指标

在评估数据中心应用的光开关时，必须考虑几个关键指标：

1.容量：需要高带宽交换，尤其是机架间和集群间的通信。

2.延迟：低延迟（微秒或更短）对于许多数据中心应用非常重要。

3.互连性：交换机必须支持服务器之间的大量并发流。

4.可扩展性：网络应能够以经济高效的方式扩展到大量节点。

5.重新配置速度：快速交换机重新配置（纳秒到微秒）可实现灵活的带宽分配。

6.功率效率：未来DCN的能耗应控制在1 pJ/bit左右或更低。

7.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。

8.插入损耗：低损耗（<10 dB）是必需的，特别是对于级联交换机。

9.串扰：大型开关矩阵的典型要求是<-35dB。

10.端口数量：数据中心应用通常至少需要16-32个端口。

图1展示了其中一些指标与光开关价值之间的关系：

图1

光开关架构

目前已开发出多种光开关架构，包括：

1. 榕树型：交换元件数量最少，但网络阻塞。

2. Beneš：可重新排列的无阻塞，交换元件数量最少。

3. 交叉开关：严格无阻塞，但N个端口需要N^2个元件。

4. N级平面：避免波导交叉，有利于光子集成。

5. 路径无关损耗（PILOSS）：在所有路径上实现均匀损耗。

6. 扩张网络：以牺牲更多元件为代价消除一阶串扰。

图2展示了几种常见的光开关拓扑结构的示意图：

图2

拓扑结构的选择会影响开关的关键特性，如阻塞行为、串扰、元件数量和级数。表1总结了不同架构的这些特性：

集成光电子交换技术

目前，正在探索用于光开关的几种光电子集成平台。

硅基光电子技术：

利用成熟的CMOS制造工艺
大规模生产具有成本优势
设备紧凑
插入损耗和串扰较高
通常使用热光或电光开关

例如：64x64热光贝内什开关，插入损耗为12-18 dB

InP光电子技术：

可集成有源元件（激光器、SOA）
低损耗、高消光比开关
快速开关速度（纳秒级）
成本高于硅

示例：演示了基于16x16 SOA的无损耗操作

硅基III-V混合器件：

结合了InP和硅的优势
能够实现低损耗开关与集成增益
仍是新兴技术

示例：演示了采用倒装芯片键合SOA的8x8开关

图3展示了不同平台之间的权衡取舍：

图3

硅基光电子开关结构

硅基光电子为大规模开关集成提供了低成本平台。两种主要类型的硅开关：

1.热光（TO）多路复用器开关：

使用加热器诱导相移
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32x32 TO开关的演示数据为平均插入损耗10.8 dB，3.5 nm带宽，-20 dB串扰。

更大的64x64 TO Beneš开关在45 nm带宽内实现了12-18 dB插入损耗和-30至-44 dB串扰。

2.电光（EO）多路复用器开关：

使用载波注入/耗尽实现相移
快速切换（~ns）
功耗高于TO

32x32 EO Beneš开关的片上损耗为13-19 dB，串扰为-15至-25 dB，开关时间为1-1.2 ns。

3.InP光开关结构

InP技术能够实现半导体光放大器（SOA）等有源元件的单片集成，从而实现无损耗开关操作。

主要演示包括：

16x16全有源SOA开关
16x16有源无源SOA开关，功率效率更高
8x8x8λ空间和波长选择性开关

图4展示了8x8x8λ InP开关的示例：

图4

该开关结合了空间和波长域切换，可实现高连接性和数据容量，实现了>27 dB OSNR、13.3 dB片上损耗和5 ns的重新配置时间。

异构光电子集成开关结构

将InP有源器件与硅无源器件进行混合集成，结合两个平台的优势。具体方法包括：

1.将InP SOA倒装芯片键合到硅基光电子电路中

2.在硅上单片生长III-V族材料

3.将III-V器件转移印到硅上

图5所示为混合波长选择开关（WSS）的一个实例：

图5

该开关使用硅AWG进行波长分复用，使用倒装芯片键合的InP SOA进行切换。它实现了16 dB增益和34 dB开/关比。

数据中心互连架构使用光开关

针对数据中心网络，已经提出了几种利用光开关的架构：

1.分布式深度学习训练：

光电路开关（OCS）用于动态重组服务器并引导带宽，以应对分布式深度学习工作负载。一个16节点测试平台（图6）与静态拓扑相比，网络性能提高了3.6倍。

图6

2.HPC的带宽控制：

Flexfly架构使用硅光开关来交换HPC网络中蜻蜓群组之间的全局链接。这样就可以进行动态重新配置，以匹配应用程序的流量模式。

3.分散式数据中心：

DACON架构（图7）使用纳秒级光开关，可在分散式数据中心中灵活配置资源。实验结果表明，与以服务器为中心的架构相比，应用运行速度提高了1.74倍，功耗降低了34%。

图7

4.大规模快速光电路交换：

硅基光开关的多级 Clos 网络能够实现非常高的端口数量。演示了9级32x32开关级联，展示了131，072x131，072端口严格无阻塞网络的可行性。

挑战与未来展望

虽然光开关在数据中心领域前景广阔，但仍面临诸多挑战：

1.封装：热管理、电/光接口和机械可靠性需要进一步开发。

2.可扩展性：插入损耗和串扰限制了开关的尺寸。需要改进设计和制造工艺。

3.控制：需要快速、可扩展的控制平面来管理大型交换矩阵。

4.功耗：降低静态功耗，特别是对于端口数量较多的设备。

5.制造工艺：严格控制波导尺寸对于波长选择器件非常重要。

6.争用解决：由于缺乏光学缓冲器，争用处理变得困难。

应对这些挑战的未来研究方向包括：

先进的封装技术
III-V族和硅的混合/异构集成
基于机器学习的控制算法
提高可扩展性的新型开关架构
与新兴计算范式（神经形态、量子）的整合

结论

光开关结构为应对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材料则实现了高性能有源器件。结合两个平台优点的混合方法显示出巨大的潜力。

随着制造和集成技术的不断成熟，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。继续进行光开关方面的研发对于满足未来计算系统的互连需求很重要。

参考资料

[1] M. Glick, L. Liao, and K. Schmidtke, Integrated Photonics for Data Communication Applications. Elsevier, 2023.