在當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)世界中，人們每隔60秒發(fā)送約1.68億封電子郵件，1100萬條短信，9.8萬條微博和69.5萬個Facebook更新。除了人類創(chuàng)造的數(shù)據(jù)以外，還有機(jī)器對機(jī)器通信活動，2017年的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將產(chǎn)生3.9艾字節(jié)(EB)的數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)爆炸

　　在這所有的互聯(lián)網(wǎng)活動中，每一分鐘都將創(chuàng)造超過1820TB的新數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在世界各地的數(shù)據(jù)中心之間被存儲、處理，以及共享。而沒有數(shù)據(jù)中心，根本就不會有云計算。

　　在過去的10年中，互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模已經(jīng)增長了100倍。為了適應(yīng)這一快速增長，人們不得不增加數(shù)據(jù)中心的計算能力，并提高了1000倍的計算量。在未來10年內(nèi)，為滿足未來互聯(lián)網(wǎng)的需求，人們將需要增加同樣的容量。目前，沒有人真正知道今后的互聯(lián)網(wǎng)將發(fā)展成什么樣子。

　　如今，運營商正在考慮如何實現(xiàn)“大規(guī)模”和“大型數(shù)據(jù)中心”，提供人們所需要的計算、存儲、傳輸能力。大型數(shù)據(jù)中心將更多地使用軟件定義的基礎(chǔ)設(shè)施，并利用開放式架構(gòu)軟件和硬件的優(yōu)勢。

　　但業(yè)內(nèi)對當(dāng)今的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)是否能夠提供人們所需要的能力的可行性表示嚴(yán)重關(guān)切。而亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公司副總裁兼杰出工程師詹姆斯·漢密爾頓表示，未來的數(shù)據(jù)中心面臨“紅色警報”。

　　網(wǎng)絡(luò)：一場完美風(fēng)暴

　　其實可以將數(shù)據(jù)中心簡化成兩個組成部分：一是服務(wù)器(計算功能)，它執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和存儲功能;二是網(wǎng)絡(luò)，用于連接一個大型數(shù)據(jù)中心的大量的服務(wù)器(通常為10萬臺以上)。

　　如今，摩爾定律仍然有效。在微處理器制造商的芯片中，晶體管數(shù)量每兩年翻一番。而其芯片成本降低的好處將傳導(dǎo)到服務(wù)器方面，在更低成本的情況下，獲得更高性能的機(jī)器和更多的存儲能力，這有助于推動云計算的增長。

　　不幸的是，相對于計算功能來說，摩爾定律的好處不能完全適用于數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)部分。例如，數(shù)據(jù)吞吐量，這是網(wǎng)絡(luò)的一個重要指標(biāo)，是由晶體管的速度決定的。而在芯片上增加越來越多的物理管腳，以及采用新的光纖傳輸技術(shù)，在這兩個方面，摩爾定律卻愛莫能助。

　　雖然芯片越來越便宜，而網(wǎng)絡(luò)成本卻在上升，而這種情況加劇了服務(wù)器的數(shù)量增長。因此，數(shù)據(jù)中心運營商現(xiàn)在更加專注于網(wǎng)絡(luò)組件技術(shù)的研究。

　　這個問題的很大一部分來源于規(guī)模較小基數(shù)較小基本的網(wǎng)絡(luò)單元：電氣CMOS交換機(jī)芯片。大型數(shù)據(jù)中心擁有超過10萬臺服務(wù)器，必須允許每一臺服務(wù)器具備通信連接，這需要一個巨大的網(wǎng)絡(luò)，而這個網(wǎng)絡(luò)通過一系列CMOS交換機(jī)芯片進(jìn)行連接，卻被限制在每24個或32個互連端口上。

　　由于這些CMOS交換機(jī)芯片端口數(shù)的限制，數(shù)據(jù)中心的廣大網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點和互連服務(wù)，僅僅作為一種不可思議的像蜘蛛網(wǎng)一樣的網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點連接之間的中介物。這些網(wǎng)絡(luò)的交換節(jié)點和它們之間的聯(lián)系取決于更小尺寸的CMOS交換機(jī)芯片。

　　基本交換機(jī)元件的基數(shù)對指定大小的數(shù)據(jù)中心所需的交換節(jié)點總數(shù)有直接影響?；鶖?shù)的大小決定了各個交換機(jī)和數(shù)據(jù)中心的整體構(gòu)造(成本和功率要求)，它限制了可擴(kuò)展性的成本和復(fù)雜的基礎(chǔ)。連接大量的服務(wù)器現(xiàn)在需要一個龐大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。并且，更糟的是，其所需的中間交換節(jié)點和互連的增長數(shù)量是服務(wù)器數(shù)量的數(shù)倍。

　　不斷上升的數(shù)據(jù)中心成本和功耗的限制已經(jīng)很好地證明了限制因素的問題嚴(yán)重。其限制因素就是數(shù)據(jù)中心的基本可擴(kuò)展性，但是，只有質(zhì)疑現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)能力，才有可能構(gòu)建適應(yīng)未來需要的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。

　　重塑數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)

　　為了適應(yīng)未來數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，我們需要大量簡化網(wǎng)絡(luò)。幸運的是，這個行業(yè)已經(jīng)向更簡單、更高效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)邁進(jìn)。一個例子是從傳統(tǒng)的具有帶寬瓶頸和單點故障單根樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于Clos拓?fù)涮岣呔W(wǎng)絡(luò)容量，并提供冗余的網(wǎng)絡(luò)多路徑。

　　軟件定義網(wǎng)絡(luò)允許建筑師單獨的應(yīng)用程序，控制和物理傳輸層，并將它們從專有硬件開放軟件。這種方法在一組服務(wù)器上進(jìn)行，允許控制臺處理，并引導(dǎo)數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地，從而簡化了交換機(jī)的設(shè)計。

　　這些都是重要的，但是從根本上逐步改進(jìn)兩個例子。為了實現(xiàn)真正的可擴(kuò)展性，我們需要在網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵領(lǐng)域部署創(chuàng)新和突破性的技術(shù)。

　　簡化交換

　　我們需要三個基本的功能來創(chuàng)建數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)：數(shù)據(jù)包處理，交換和傳輸。如今，通常情況下，數(shù)據(jù)包處理和交換功能可以通過傳統(tǒng)的CMOS技術(shù)實現(xiàn)，而網(wǎng)絡(luò)傳輸功能正朝著高帶寬能力的光(光子)技術(shù)邁進(jìn)。

　　正如我們已經(jīng)看到的，大型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)目前依賴于相對較小的基數(shù)交換機(jī)，其吞吐率和經(jīng)濟(jì)可擴(kuò)展性卻受到交換技術(shù)的嚴(yán)重制約。但是通過改變網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，簡化交換機(jī)的工作，這使人們有了一個獨特的機(jī)會，現(xiàn)在可以將光學(xué)技術(shù)引入到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)領(lǐng)域中。

　　這種電子和光子學(xué)的“智能整合”將讓每一個技術(shù)發(fā)揮自己的優(yōu)勢：CMOS的密度可以提供進(jìn)行復(fù)雜的處理能力，而光子學(xué)可以提高傳輸速度和傳輸能力。

　　通過大幅增加端口密度，放寬對交換機(jī)的大小限制為，擴(kuò)展數(shù)據(jù)中心的容量，簡化網(wǎng)絡(luò)并提高吞吐量。通過電子和光子技術(shù)的結(jié)合，將使光域進(jìn)行分組交換，以支持可擴(kuò)展的交換功能，這在電子領(lǐng)域是不可能實現(xiàn)的。

　　例如，高速數(shù)據(jù)信號在單模光纖傳輸比在銅線上傳輸，其功率和成本要低得多。這種功能使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者有了更多的選擇，可以在數(shù)據(jù)中心配置更大的光學(xué)交換機(jī)。

　　此外，人們可以很容易地在同一光纖采用波分復(fù)用技術(shù)處理多個信號，從而降低了電纜的復(fù)雜性和成本。

　　更大的基數(shù)交換機(jī)

　　通過整合先進(jìn)的光學(xué)交換機(jī)的功能與CMOS的數(shù)據(jù)包處理能力，可以實現(xiàn)基本交換機(jī)元件更大的基數(shù)。采取模塊化的方法簡化設(shè)計多級交換機(jī)，讓數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)更方便快捷的連接。

　　這種集成光交換解決方案將會受益于CMOS技術(shù)的摩爾定律的規(guī)模效益，以及光學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。這兩個因素將有助于降低重定向網(wǎng)絡(luò)的成本，可以更好地調(diào)整計算功能，并得到那些考慮如何提高數(shù)據(jù)中心容量，同時保持成本和功耗的數(shù)據(jù)中心運營商的關(guān)注。

　　CMOS和光子學(xué)在交換技術(shù)上的結(jié)合，具有降低組網(wǎng)成本和能耗的潛力。將交換功能引入到光學(xué)領(lǐng)域，這意味著不僅可以不斷擴(kuò)大基本元件的規(guī)模，而且還可以通過模塊化的開關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展。這種方法允許網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)前所未有的可擴(kuò)展性，可以提供下一代數(shù)據(jù)中心所需的帶寬容量。

　　然而，發(fā)展這項技術(shù)，將采取系統(tǒng)級的多學(xué)科的方法，這就是為什么在光子、電子、軟件、系統(tǒng)架構(gòu)，以及半導(dǎo)體/光電子制造方面匯集全球頂級專家的主要原因。

　　數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)具有上百億美元的市場規(guī)模，并且不斷增長。而硅光子學(xué)是滿足這個市場潛力的關(guān)鍵因素，相信在未來10年中，互聯(lián)網(wǎng)的計算能力和傳輸能力得到上千倍的增長。