摘要：在當今這樣一個互聯的世界中，我們每隔60秒都會發送約1.68億封電子郵件；1100萬條即時消息；98000條推文和695000個Facebook更新。除了由海量人為創造的數據在不停的傳輸之外，預計到2017年，借助機器對機器的通信溝通，物聯網應用程序也將進一步產生3.9艾字節的數據。

數據的爆炸似增長

所有互聯網活動每分鐘都會創造出超過1820 TB的新數據，而這些新的數據信息都需要被存儲、處理，并在世界各地的數據中心之間進行共享。如果沒有數據中心，也就根本不會有云服務了。

在過去的10年里，互聯網的規模已經增長了100倍。為了適應這一增長，我們不得不大幅增加數據中心的計算能力，使得計算能力增長1000倍。而為了在未來10年內繼續滿足互聯網進一步發展的需求，我們還將需要在數據中心增加同樣容量的計算能力。目前，沒有人真正知道我們要如何才能真正實現對于未來數據處理需求的充分滿足。

現如今，運營商們都從大局思考，展望通過大型數據中心來滿足我們所需要的數據計算和處理能力。大型數據中心將更多地使用軟件定義的基礎設施，并充分利用開放式軟件和硬件架構的優勢。

與此同時，整個行業對于現今的數據中心架構規模化縮放的能力，以便能夠充分滿足我們的需求也相當關注。據亞馬遜網絡服務的副總裁兼工程師詹姆斯·漢密爾頓表示說，我們目前對于未來的數據中心已經亮起了“紅色警報”。

網絡：一場完美的風暴

有一種方法可以將數據中心簡化成兩個組成部分：服務器(計算功能)，其負責執行數據處理和存儲;而網絡則負責在一個大型數據中心互相連接大量的服務器(通常為超過100000臺的服務器)。

摩爾定律依舊發揮作用，迫使微處理器制造商們每隔兩年在其芯片上使晶體管數量翻一番。硅產品便宜的好處傳播到了服務器，使得更高性能的機器和更大存儲容量的產品的成本降低了數倍，而這一切均有助于推動云計算的增長。

不幸的是，由摩爾定律所帶來的計算功能方面的優勢并不完全適用于數據中心的網絡部分。例如，網絡的一個重要衡量指標：數據吞吐量則是由晶體管的速度決定的;而芯片上的物理引腳的數目，以及越來越多的新的光纖傳輸技術等等，其中沒有哪一方面是由摩爾定律幫助的。

因此，雖然硅越來越便宜，網絡成本卻在上漲，而這種情況正在隨著服務器的數量增長而進一步加劇。在面對未來可預期的規模化需求時，數據中心運營商們現在正把他們的關注焦點集中在網絡組件上。

這個問題的很大一部分來源于規模較小，或基本的網絡元素：電子CMOS交換機芯片。有超過10萬臺服務器的數據中心必須允許任意服務器之間的通信，這就需要一個巨大的網絡，通過連接過一系列CMOS交換機芯片，被限制在24或32個端口。

由于這些端口的數量限制了CMOS交換機芯片，大量的網絡交換節點和在數據中心的互連服務都僅僅只是在其他交換節點之間作為一種不可思議的蜘蛛網似的網絡結構的中介物。這些交換節點及其之間的相互連接的成本是相當昂貴的，其極其耗能的必要性是由CMOS交換機芯片的小尺寸所直接決定的。

基本交換機元件的基數對一家指定規模大小的數據中心所需的交換節點的總數有直接的影響。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)，其限制了可擴展性的成本和復雜性。連接大量的服務器現在需要一個巨大的網絡結構，而且，甚至更糟的是，所需中間交換節點和互連需求的增長大大超過了服務器數量的數倍。

不斷上升的數據中心成本和功耗都是有據可查的限制因素，而且已然成為了相當嚴重的問題。然而，數據中心的基本可擴展性則備受這個完美風暴網絡的質疑。運營商們如何才能夠構建恰當規模的數據中心網絡，以滿足未來的數據處理需求呢?

重塑數據中心網絡

為了打造未來的數據中心，我們需要顯著簡化網絡。幸運的是，整個數據中心行業已經在向更簡單、更高效的網絡架構轉移了。這方面的一個例子便是從經典的有著帶寬瓶頸和單點故障的單根樹拓撲結構轉為折疊的基于Clos的拓撲結構，通過多路徑網絡提供冗余提高網絡容量。

軟件定義的網絡使架構師們能夠將應用程序、控制層和物理傳輸層單獨分離，并將它們從專有的硬件移動到開發的軟件。這種方法允許控制面板處理，將數據包引導至它們的目的地，在一組商品化的服務器執行處理，從而簡化了交換機的設計。

這些都是相當重要的，并且能夠從根本上逐步帶來改進的例子。為了實現真正的可擴展性，我們需要更多這方面的例子。我們需要在網絡的關鍵領域部署創新的、顛覆性的技術。

簡化交換機

我們需要三種基本的功能來創建一個數據中心網絡：數據包處理，交換功能和傳輸功能。今天，在通常情況下，數據包處理和交換功能以電子方式實現的，一般是采用傳統的CMOS技術，而運輸功能正朝著高帶寬能力的光技術方向發展。

正如我們已經看到的，當前對于相對較小基數的交換機的依賴在CMOS的吞吐率和經濟的大型數據中心網絡的可擴展性造成了嚴重的制約。但是，簡化工作中涉及到交換機的工作，則通過改變網絡的結構使我們有了一個獨特的機會，我們現在可以將光學技術引入到系統的領域中，這些系統以前已經不存在了。

電子和光學的這種“智能整合”將讓每種技術都能夠發揮其優勢：CMOS的密度提升，并執行復雜的處理能力，同時徹底的提升光學的速度和傳輸能力。

通過大幅增加端口密度放寬對交換機大小規模的限制，能夠從根本上擴展數據中心的容量，簡化網絡，并提高吞吐量。電子和光電子的結合將使數據包在光域切換，支持在電子領域所不可能的可擴展交換機的功能。

例如，高速數據信號通過單模光纖可以比銅導線傳輸遠得多，而且其功率和成本也要低得多。這種能力給了網絡設計者們在一個數據中心的多個位置分區的一個大型的光學交換機更多的選擇。

此外，我們可以使用波分復用很容易地將多個信號混合在同一光纖，從而降低了電纜的復雜性和成本。

邁向更大基數的交換機

通過將先進的光學交換機的功能與CMOS的數據包處理能力進行整合，我們能夠使基本交換機元件達到更大的基數。在大型、多級交換機采用模塊化的方法簡化了設計，使數據中心的連接更容易也更便宜。

這種整合光學交換機的解決方案將從摩爾定律在CMOS技術的規模縮放、以及在光學領域的研究進展中獲益。這兩大因素將有助于重新定向網絡的成本軌跡，以更好地調整與計算功能，并改善數據中心運營商們的關注領域，即在關注如何提高數據中心容量的同時，保持對于成本和能耗的時刻審查。

在交換機將CMOS和光子的結合潛在的具有降低網絡成本并將功率提升10倍的益處。將交換機的功能帶入光學領域意味著其不僅能夠隨著基本元件的規模不斷擴大，而且還可以通過模塊化的交換機結構獨自縮放規模。這種方法帶來了前所未有的可擴展性的網絡，并提供了下一代的數據中心所需的帶寬容量。

然而，開發這項技術將采取一種系統級的多學科的方法，這就是為什么我們需要匯集世界一流的光電子、電子、軟件、系統架構和半導體/光電子制造領域的專家的原因所在了。

數據中心網絡是一個價值100億美元的大市場，而且這一市場還在不斷的增長。硅光子學是滿足這個市場的的關鍵潛力，使得我們能夠滿足未來10年的互聯網發展的數據處理需求的計算能力能夠成千倍的增長。

關于作者

本文作者安德魯·里克曼博士是Rockley Photonics公司的首席執行官，同時也是光子學領域的先驅。他于1988年創立了Bookham Technology公司，并使得該公司于2000年成功IPO。