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(gè)Facebook更新。除了人類創(chuàng)造的數(shù)據(jù)以外，還有機(jī)器對(duì)機(jī)器通信活動(dòng)，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(dòng)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(chǔ)、處理，以及共享。而沒有數(shù)據(jù)中心，根本就不會(huì)有云計(jì)算。

在過去的10年中，互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模已經(jīng)增長(zhǎng)了100倍。為了適應(yīng)這一快速增長(zhǎng)，人們不得不增加數(shù)據(jù)中心的計(jì)算能力，并提高了1000倍的計(jì)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(yùn)營(yíng)商正在考慮如何實(shí)現(xiàn)“大規(guī)模”和“大型數(shù)據(jù)中心”，提供人們所需要的計(jì)算、存儲(chǔ)、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(shì)。

但業(yè)內(nèi)對(duì)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(bào)”。

網(wǎng)絡(luò)：一場(chǎng)完美風(fēng)暴

其實(shí)可以將數(shù)據(jù)中心簡(jiǎn)化成兩個(gè)組成部分：一是服務(wù)器（計(jì)算功能），它執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)功能；二是網(wǎng)絡(luò)，用于連接一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心的大量的服務(wù)器（通常為10萬臺(tái)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?jī)赡攴环６湫酒杀窘档偷暮锰帉鲗?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(chǔ)能力，這有助于推動(dòng)云計(jì)算的增長(zhǎng)。

不幸的是，相對(duì)于計(jì)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(gè)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(gè)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(zhǎng)。因此，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)在更加專注于網(wǎng)絡(luò)組件技術(shù)的研究。

這個(gè)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(tái)服務(wù)器，必須允許每一臺(tái)服務(wù)器具備通信連接，這需要一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)，而這個(gè)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(gè)或32個(gè)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(diǎn)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(diǎn)連接之間的中介物。這些網(wǎng)絡(luò)的交換節(jié)點(diǎn)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(duì)指定大小的數(shù)據(jù)中心所需的交換節(jié)點(diǎn)總數(shù)有直接影響。基數(shù)的大小決定了各個(gè)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(gè)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(diǎn)和互連的增長(zhǎng)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(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)。幸運(yùn)的是，這個(gè)行業(yè)已經(jīng)向更簡(jiǎn)單、更高效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)邁進(jìn)。一個(gè)例子是從傳統(tǒng)的具有帶寬瓶頸和單點(diǎn)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(dú)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(tái)處理，并引導(dǎo)數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地，從而簡(jiǎn)化了交換機(jī)的設(shè)計(jì)。

這些都是重要的，但是從根本上逐步改進(jìn)兩個(gè)例子。為了實(shí)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(jiǎn)化交換

我們需要三個(gè)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(shí)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(duì)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(jiǎn)化交換機(jī)的工作，這使人們有了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)，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(gè)技術(shù)發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)：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(duì)交換機(jī)的大小限制為，擴(kuò)展數(shù)據(jù)中心的容量，簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)的。

例如，高速數(shù)據(jù)信號(hào)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(jì)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(gè)信號(hào)，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(shí)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)多級(jí)交換機(jī)，讓數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)更方便快捷的連接。

這種集成光交換解決方案將會(huì)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(gè)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(jì)算功能，并得到那些考慮如何提高數(shù)據(jù)中心容量，同時(shí)保持成本和功耗的數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)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(shí)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(xiàng)技術(shù)，將采取系統(tǒng)級(jí)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(jí)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(chǎng)規(guī)模，并且不斷增長(zhǎng)。而硅光子學(xué)是滿足這個(gè)市場(chǎng)潛力的關(guān)鍵因素，相信在未來10年中，互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算能力和傳輸能力得到上千倍的增長(zhǎng)。