المُقدّمة
تواجه شبكات مراكز البيانات تحديات بسبب النمو الهائل في حركة البيانات التي تدفعها تطبيقات مثل بث الفيديو والذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي والحوسبة السحابية. تكافح المفاتيح الإلكترونية التقليدية لمواكبة متطلبات النطاق الترددي والاتصال المتزايدة مع الحفاظ على استهلاك منخفض للطاقة وزمن انتقال منخفض. تقدم تقنية المفاتيح الضوئية حلاً واعدًا لهذه التحديات من خلال توفير تبديل عالي النطاق الترددي وزمن انتقال منخفض وكفاءة في استخدام الطاقة.
توفر هذه المقالة نظرة عامة على بنيات المفاتيح الضوئية لمراكز البيانات من الجيل التالي وشبكات الحوسبة عالية الأداء (HPC). وسنقدم مقاييس الأداء الرئيسية وبنيات المفاتيح وتكنولوجيا المفاتيح الضوئية المتكاملة وأمثلة التنفيذ. وأخيرًا، سنناقش التحديات والآفاق المستقبلية للمفاتيح الضوئية في مراكز البيانات.
مقياس الأداء الرئيسي
عند تقييم المفاتيح البصرية لتطبيقات مركز البيانات، لا بد من مراعاة العديد من المقاييس الرئيسية:
- السعة: هناك حاجة إلى التبديل عالي النطاق الترددي، وخاصة للاتصالات بين الرفوف وبين المجموعات.
- زمن الوصول: يعد زمن الوصول المنخفض (ميكروثانية أو أقل) مهمًا جدًا للعديد من تطبيقات مراكز البيانات.
- الترابط المتبادل: يجب أن يدعم المحول عددًا كبيرًا من التدفقات المتزامنة بين الخوادم.
- إمكانية التوسع: يجب أن تكون الشبكة قادرة على التوسع إلى عدد كبير من العقد بطريقة فعالة من حيث التكلفة.
- سرعة إعادة التكوين: تتيح إعادة تكوين المفتاح السريع (من النانو ثانية إلى الميكرو ثانية) تخصيص النطاق الترددي المرن.
- كفاءة الطاقة: يجب التحكم في استهلاك الطاقة لشبكات DCN المستقبلية عند حوالي 1 بيكوجول/بت أو أقل.
- التكلفة: من المقرر أن تبلغ التكلفة لكل منفذ حوالي 10 دولارات لتكون قادرة على المنافسة مع المفاتيح الإلكترونية.
- خسارة الإدراج: مطلوب خسارة منخفضة (<10 ديسيبل)، وخاصة بالنسبة للمفاتيح المتتالية.
- التداخل: المتطلب النموذجي لمصفوفات التبديل الكبيرة هو <-35 ديسيبل.
- عدد المنافذ: تتطلب تطبيقات مركز البيانات 16-32 منفذًا على الأقل.
هندسة التبديل البصري
تم تطوير مجموعة متنوعة من بنيات التبديل الضوئية، بما في ذلك: 1. نوع شجرة بانيان: الحد الأدنى لعدد عناصر التبديل، ولكن مع ازدحام الشبكة. 2. Beneš: قابلة لإعادة الترتيب، غير مانعة، الحد الأدنى لعدد عناصر التبديل. 3. مفتاح العارضة: غير مانع تمامًا، ولكن تتطلب منافذ N عنصرين N^2. 4. المستوى N: يتجنب تقاطع الموجة وهو مفيد للتكامل الفوتوني. 5. خسارة مستقلة عن المسار (PILOSS): تحقيق خسارة موحدة على جميع المسارات. 6. شبكة موسعة: تقضي على التداخل من الدرجة الأولى على حساب المزيد من المكونات.
مخطط تخطيطي لعدة طوبولوجيات تبديل بصرية شائعة
يؤثر اختيار الطوبولوجيا على خصائص المفتاح الرئيسية مثل سلوك الحظر والتداخل وعدد المكونات والسلسلة.
تكنولوجيا التبديل الضوئية الإلكترونية المتكاملة
في الوقت الحالي، يتم استكشاف العديد من منصات التكامل الضوئي الإلكتروني للتبديل البصري.
تكنولوجيا الإلكترونيات البصرية المعتمدة على السيليكون:
- يستخدم عملية تصنيع CMOS الناضجة
- الإنتاج على نطاق واسع له مزايا من حيث التكلفة
- المعدات المدمجة
- خسارة إدراج عالية وتداخل
- يستخدم عادة مفاتيح حرارية بصرية أو كهربائية بصرية
مثال: مفتاح Benesh الحراري البصري مقاس 64×64 مع خسارة إدخال تتراوح بين 12 و18 ديسيبل
تكنولوجيا الإلكترونيات الضوئية في InP:
- المكونات النشطة القابلة للتكامل (الليزر، SOA)
- مفتاح ذو نسبة خسارة منخفضة ونسبة انطفاء عالية
- سرعة التبديل السريعة (نانو ثانية)
- تكلفته أكثر من السيليكون
مثال: عرض توضيحي لعملية بدون فقدان للبيانات استنادًا إلى 16×16 SOA
الأجهزة الهجينة III-V القائمة على السيليكون:
- الجمع بين مزايا InP والسيليكون
- يتيح التبديل منخفض الخسارة والمكسب المتكامل
- لا تزال تكنولوجيا ناشئة
مثال: عرض توضيحي لمفتاح 8×8 باستخدام ربط الشريحة المقلوبة SOA
المقايضات بين المنصات
هيكل مفتاح ضوئي إلكتروني قائم على السيليكون
توفر الفوتونيات القائمة على السيليكون منصة منخفضة التكلفة لدمج المفاتيح على نطاق واسع. هناك نوعان رئيسيان من مفاتيح السيليكون: 1. مفاتيح متعددة الإرسال الضوئية الحرارية (TO):
- استخدام سخان لتحريض تحول الطور
- سرعة التحويل بطيئة نسبيًا (~μs)
- استهلاك الطاقة أقل من البصريات الكهربائية
بيانات العرض التوضيحي لمفتاح 32×32 TO باستخدام بنية الخسارة المستقلة عن المسار (PILOSS) هي خسارة إدراج متوسطة تبلغ 10.8 ديسيبل، وعرض نطاق ترددي 3.5 نانومتر، وتداخل صوتي يبلغ -20 ديسيبل.
يحقق مفتاح 64×64 TO Beneš الأكبر خسارة إدراج تتراوح من 12 إلى 18 ديسيبل وتداخل يتراوح من -30 إلى -44 ديسيبل على نطاق ترددي يبلغ 45 نانومتر.
مفتاح المضاعف الكهروضوئي (EO):
- تحويل الطور باستخدام حقن الناقل/استنزافه
- التبديل السريع (~ns)
- استهلاك الطاقة أعلى من TO
يحتوي مفتاح Beneš 32×32 EO على خسائر على الشريحة تتراوح بين 13-19 ديسيبل، وتداخل صوتي يتراوح بين -15 إلى -25 ديسيبل، وأوقات تبديل تتراوح بين 1-1.2 نانوثانية.
بنية المفتاح البصري InP: تمكّن تقنية InP من التكامل المتجانس للمكونات النشطة مثل مكبرات الصوت الضوئية شبه الموصلة (SOA)، وبالتالي تحقيق عملية تحويل بدون خسارة.
تتضمن العروض التوضيحية الرئيسية ما يلي:
- مفتاح SOA نشط بالكامل مقاس 16×16
- مفتاح SOA نشط-سلبي 16×16 لتحقيق كفاءة طاقة أعلى
- مفتاح انتقائي للطول الموجي والمكاني 8x8x8λ
مثال على مفتاح InP 8x8x8λ
يجمع المفتاح بين التبديل المكاني وتبديل نطاق الطول الموجي لتمكين الاتصال العالي وسعة البيانات، وتحقيق نسبة إشارة صوتية (OSNR) >27 ديسيبل، وخسارة على الشريحة تبلغ 13.3 ديسيبل، ووقت إعادة تكوين 5 نانوثانية.
هيكل التبديل المتكامل الكهروضوئي غير المتجانس:يجمع التكامل الهجين بين أجهزة InP النشطة وأجهزة السيليكون السلبية بين مزايا المنصتين. وتتضمن الأساليب المحددة ما يلي:
- ربط رقاقة InP SOA Flip-chip بدوائر بصرية إلكترونية تعتمد على السيليكون
- زراعة مواد III-V على شريحة واحدة من السيليكون
- نقل الطباعة لأجهزة III-V على السيليكون
يستخدم المفتاح AWG من السليكون لتقسيم الطول الموجي المتعدد وInP SOA المرتبط بالرقائق المقلوبة للتبديل. ويحقق مكسبًا يبلغ 16 ديسيبل ونسبة تشغيل/إيقاف تبلغ 34 ديسيبل.
هندسة الربط بين مراكز البيانات باستخدام المفاتيح البصرية
تم اقتراح العديد من البنيات التي تستخدم المفاتيح الضوئية لشبكات مراكز البيانات: 1. تدريب التعلم العميق الموزع: تُستخدم المفاتيح الضوئية لإعادة تنظيم الخوادم ديناميكيًا وتوجيه النطاق الترددي للتعامل مع أحمال عمل التعلم العميق الموزعة. حقق اختبار مكون من 16 عقدة تحسنًا في أداء الشبكة بمقدار 3.6x مقارنة بالطوبولوجيا الثابتة.
التحكم في النطاق الترددي للحوسبة عالية الأداء: تستخدم بنية Flexfly مفاتيح فوتونية سيليكونية لتبديل الروابط العالمية بين مجموعات اليعسوب في شبكات الحوسبة عالية الأداء. وهذا يسمح بإعادة التكوين الديناميكي لتتناسب مع أنماط حركة المرور في التطبيق.
مركز البيانات الموزع: تستخدم بنية DACON مفاتيح بصرية نانوثانية لتكوين الموارد بمرونة في مراكز البيانات الموزعة. وتُظهر النتائج التجريبية أنه بالمقارنة بالبنية التي تركز على الخادم، يعمل التطبيق أسرع بمقدار 1.74 مرة ويستهلك طاقة أقل بنسبة 34%.
التبديل الدائري الضوئي السريع على نطاق واسع: يمكن لشبكات Clos متعددة المراحل من المفاتيح الضوئية القائمة على السيليكون تحقيق عدد كبير جدًا من المنافذ. تم عرض سلسلة من 9 مراحل من المفاتيح 32 × 32، مما يوضح جدوى شبكة غير حجب صارمة مكونة من 131،072 × 131،072 منفذًا.
التحديات وآفاق المستقبل
على الرغم من أن المفاتيح البصرية تتمتع بآفاق واسعة في مجال مراكز البيانات، إلا أنها لا تزال تواجه العديد من التحديات:
- التعبئة والتغليف: تتطلب الإدارة الحرارية، والواجهات الكهربائية/البصرية، والموثوقية الميكانيكية المزيد من التطوير.
- قابلية التوسع: إن فقدان الإدخال والتداخل يحدان من حجم المحول. هناك حاجة إلى تحسينات في عمليات التصميم والتصنيع.
- التحكم: هناك حاجة إلى مستوى تحكم سريع وقابل للتطوير لإدارة أنسجة التبديل الكبيرة.
- استهلاك الطاقة: تقليل استهلاك الطاقة الساكنة، وخاصة للأجهزة التي تحتوي على عدد كبير من المنافذ.
- عملية التصنيع: يعد التحكم الصارم في أبعاد الموجات الموجهة أمرًا مهمًا للغاية بالنسبة للأجهزة الانتقائية لطول الموجة.
- حل التنازع: بسبب عدم وجود مخازن بصرية، يصبح التعامل مع التنازع صعبًا.
وتشمل اتجاهات البحث المستقبلية لمعالجة هذه التحديات ما يلي:
- تكنولوجيا التعبئة والتغليف المتقدمة
- التكامل الهجين/غير المتجانس بين III-V والسيليكون
- خوارزمية التحكم القائمة على التعلم الآلي
- هندسة تبديل جديدة تعمل على تحسين قابلية التوسع
- التكامل مع نماذج الحوسبة الناشئة (النموذج العصبي، والنموذج الكمومي)
الخاتمة
توفر أقمشة التبديل الضوئية حلولاً لتحديات النطاق الترددي وزمن الوصول وكفاءة الطاقة التي تواجه شبكات مراكز البيانات من الجيل التالي. توفر تقنية الإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون مسارًا للتكامل منخفض التكلفة وواسع النطاق، في حين تمكن مواد III-V من الأجهزة النشطة عالية الأداء. تُظهر الأساليب الهجينة التي تجمع بين مزايا كلتا المنصتين إمكانات كبيرة.
مع نضج تقنيات التصنيع والتكامل، يمكننا أن نتوقع أن تلعب المفاتيح الضوئية دورًا متزايد الأهمية في هندسة مراكز البيانات. وهذا من شأنه أن يعزز التطبيقات كثيفة البيانات مثل الذكاء الاصطناعي والحوسبة العلمية مع خفض التكاليف واستهلاك الطاقة. إن البحث والتطوير المستمر في المفاتيح الضوئية أمر مهم لتلبية احتياجات الترابط لأنظمة الحوسبة المستقبلية.