在當今的互聯網世界中，人們每隔60秒發送約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。除了人類創造的數據以外，還有機器對機器通信活動，2017年的物聯網應用將產生3.9艾字節（EB）的數據。

數據爆炸

在這所有的互聯網活動中，每一分鐘都將創造超過1820TB的新數據，這些數據在世界各地的數據中心之間被存儲、處理，以及共享。而沒有數據中心，根本就不會有云計算。

在過去的10年中，互聯網的規模已經增長了100倍。為了適應這一快速增長，人們不得不增加數據中心的計算能力，并提高了1000倍的計算量。在未來10年內，為滿足未來互聯網的需求，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網將發展成什么樣子。

如今，運營商正在考慮如何實現“大規模”和“大型數據中心”，提供人們所需要的計算、存儲、傳輸能力。大型數據中心將更多地使用軟件定義的基礎設施，并利用開放式架構軟件和硬件的優勢。

但業內對當今的數據中心架構是否能夠提供人們所需要的能力的可行性表示嚴重關切。而亞馬遜網絡服務公司副總裁兼杰出工程師詹姆斯·漢密爾頓表示，未來的數據中心面臨“紅色警報”。

網絡：一場完美風暴

其實可以將數據中心簡化成兩個組成部分：一是服務器（計算功能），它執行數據處理和存儲功能；二是網絡，用于連接一個大型數據中心的大量的服務器（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，晶體管數量每兩年翻一番。而其芯片成本降低的好處將傳導到服務器方面，在更低成本的情況下，獲得更高性能的機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據中心的網絡部分。例如，數據吞吐量，這是網絡的一個重要指標，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，在這兩個方面，摩爾定律卻愛莫能助。

雖然芯片越來越便宜，而網絡成本卻在上升，而這種情況加劇了服務器的數量增長。因此，數據中心運營商現在更加專注于網絡組件技術的研究。

這個問題的很大一部分來源于規模較小基數較小基本的網絡單元：電氣CMOS交換機芯片。大型數據中心擁有超過10萬臺服務器，必須允許每一臺服務器具備通信連接，這需要一個巨大的網絡，而這個網絡通過一系列CMOS交換機芯片進行連接，卻被限制在每24個或32個互連端口上。

由于這些CMOS交換機芯片端口數的限制，數據中心的廣大網絡交換節點和互連服務，僅僅作為一種不可思議的像蜘蛛網一樣的網絡交換節點連接之間的中介物。這些網絡的交換節點和它們之間的聯系取決于更小尺寸的CMOS交換機芯片。

基本交換機元件的基數對指定大小的數據中心所需的交換節點總數有直接影響。基數的大小決定了各個交換機和數據中心的整體構造（成本和功率要求），它限制了可擴展性的成本和復雜的基礎。連接大量的服務器現在需要一個龐大的網絡結構。并且，更糟的是，其所需的中間交換節點和互連的增長數量是服務器數量的數倍。

不斷上升的數據中心成本和功耗的限制已經很好地證明了限制因素的問題嚴重。其限制因素就是數據中心的基本可擴展性，但是，只有質疑現在的網絡能力，才有可能構建適應未來需要的數據中心網絡。

重塑數據中心網絡

為了適應未來數據中心的發展，我們需要大量簡化網絡。幸運的是，這個行業已經向更簡單、更高效的網絡架構邁進。一個例子是從傳統的具有帶寬瓶頸和單點故障單根樹拓撲結構，基于Clos拓撲提高網絡容量，并提供冗余的網絡多路徑。

軟件定義網絡允許建筑師單獨的應用程序，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器上進行，允許控制臺處理，并引導數據包到達目的地，從而簡化了交換機的設計。

這些都是重要的，但是從根本上逐步改進兩個例子。為了實現真正的可擴展性，我們需要在網絡的關鍵領域部署創新和突破性的技術。

簡化交換

我們需要三個基本的功能來創建數據中心網絡：數據包處理，交換和傳輸。如今，通常情況下，數據包處理和交換功能可以通過傳統的CMOS技術實現，而網絡傳輸功能正朝著高帶寬能力的光（光子）技術邁進。

正如我們已經看到的，大型數據中心網絡目前依賴于相對較小的基數交換機，其吞吐率和經濟可擴展性卻受到交換技術的嚴重制約。但是通過改變網絡的結構，簡化交換機的工作，這使人們有了一個獨特的機會，現在可以將光學技術引入到網絡系統領域中。

這種電子和光子學的“智能整合”將讓每一個技術發揮自己的優勢：CMOS的密度可以提供進行復雜的處理能力，而光子學可以提高傳輸速度和傳輸能力。

通過大幅增加端口密度，放寬對交換機的大小限制為，擴展數據中心的容量，簡化網絡并提高吞吐量。通過電子和光子技術的結合，將使光域進行分組交換，以支持可擴展的交換功能，這在電子領域是不可能實現的。

例如，高速數據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。這種功能使網絡設計者有了更多的選擇，可以在數據中心配置更大的光學交換機。

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

更大的基數交換機

通過整合先進的光學交換機的功能與CMOS的數據包處理能力，可以實現基本交換機元件更大的基數。采取模塊化的方法簡化設計多級交換機，讓數據中心實現更方便快捷的連接。

這種集成光交換解決方案將會受益于CMOS技術的摩爾定律的規模效益，以及光學領域的研究進展。這兩個因素將有助于降低重定向網絡的成本，可以更好地調整計算功能，并得到那些考慮如何提高數據中心容量，同時保持成本和功耗的數據中心運營商的關注。

CMOS和光子學在交換技術上的結合，具有降低組網成本和能耗的潛力。將交換功能引入到光學領域，這意味著不僅可以不斷擴大基本元件的規模，而且還可以通過模塊化的開關結構進行擴展。這種方法允許網絡實現前所未有的可擴展性，可以提供下一代數據中心所需的帶寬容量。

然而，發展這項技術，將采取系統級的多學科的方法，這就是為什么在光子、電子、軟件、系統架構，以及半導體/光電子制造方面匯集全球頂級專家的主要原因。

數據中心網絡具有上百億美元的市場規模，并且不斷增長。而硅光子學是滿足這個市場潛力的關鍵因素，相信在未來10年中，互聯網的計算能力和傳輸能力得到上千倍的增長。