Introduction
Les réseaux de centres de données (DCN) sont confrontés à des défis en raison de la croissance exponentielle du trafic de données générée par des applications telles que le streaming vidéo, l'intelligence artificielle, l'apprentissage automatique et le cloud computing. Les commutateurs électroniques traditionnels ont du mal à répondre aux demandes croissantes de bande passante et de connectivité tout en maintenant une faible consommation d'énergie et une faible latence. La technologie des commutateurs optiques offre une solution prometteuse à ces défis en offrant une commutation à large bande passante, à faible latence et à faible consommation d'énergie.
Cet article fournit un aperçu des architectures de commutateurs optiques pour les centres de données de nouvelle génération et les réseaux de calcul haute performance (HPC). Nous présenterons les indicateurs de performance clés, les architectures de commutateurs, la technologie de commutateur optique intégrée et des exemples d'implémentation. Enfin, nous discuterons des défis et des perspectives d'avenir des commutateurs optiques dans les centres de données.
Mesure de performance clé
Lors de l'évaluation des commutateurs optiques pour les applications de centre de données, plusieurs paramètres clés doivent être pris en compte :
- Capacité : une commutation à large bande passante est nécessaire, en particulier pour les communications inter-racks et inter-clusters.
- Latence : une faible latence (microsecondes ou moins) est très importante pour de nombreuses applications de centre de données.
- Interconnectivité : le commutateur doit prendre en charge un grand nombre de flux simultanés entre les serveurs.
- Évolutivité : le réseau doit pouvoir évoluer vers un grand nombre de nœuds de manière rentable.
- Vitesse de reconfiguration : la reconfiguration rapide du commutateur (nanosecondes à microsecondes) permet une allocation flexible de la bande passante.
- Efficacité énergétique : la consommation énergétique des futurs DCN devrait être contrôlée à environ 1 pJ/bit ou moins.
- Coût : Le coût par port devrait être d’environ 10 $ pour être compétitif avec les commutateurs électroniques.
- Perte d'insertion : une faible perte (< 10 dB) est requise, en particulier pour les commutateurs en cascade.
- Diaphonie : l'exigence typique pour les grandes matrices de commutation est <-35 dB.
- Nombre de ports : les applications de centre de données nécessitent au moins 16 à 32 ports.
Architecture de commutation optique
Une variété d'architectures de commutateurs optiques ont été développées, notamment : 1. Type d'arbre Banyan : nombre minimal d'éléments de commutation, mais avec congestion du réseau. 2. Beneš : réorganisable, non bloquant, nombre minimal d'éléments de commutation. 3. Commutateur Crossbar : strictement non bloquant, mais N ports nécessitent N^2 éléments. 4. Plan de niveau N : évite le croisement du guide d'ondes et est bénéfique pour l'intégration photonique. 5. Perte indépendante du chemin (PILOSS) : obtient une perte uniforme sur tous les chemins. 6. Réseau étendu : élimine la diaphonie de premier ordre au détriment d'un plus grand nombre de composants.
Schéma de principe de plusieurs topologies courantes de commutateurs optiques
Le choix de la topologie affecte les caractéristiques clés du commutateur telles que le comportement de blocage, la diaphonie, le nombre de composants et les séries.
Technologie de commutation optoélectronique intégrée
Actuellement, plusieurs plateformes d’intégration optoélectronique sont explorées pour la commutation optique.
Technologie optoélectronique à base de silicium :
- Utilise un processus de fabrication CMOS mature
- La production à grande échelle présente des avantages en termes de coûts
- Équipement compact
- Perte d'insertion et diaphonie élevées
- Utilise généralement des commutateurs thermo-optiques ou électro-optiques
Exemple : commutateur thermo-optique Benesh 64×64 avec perte d'insertion de 12 à 18 dB
Technologie optoélectronique InP :
- composants actifs intégrables (lasers, SOA)
- Commutateur à faible perte et taux d'extinction élevé
- Vitesse de commutation rapide (nanosecondes)
- Coûte plus cher que le silicium
Exemple : Démonstration d'un fonctionnement sans perte basé sur un SOA 16×16
Dispositifs hybrides III-V à base de silicium :
- Combinez les avantages de l'InP et du silicium
- Permet une commutation à faible perte et un gain intégré
- Une technologie encore émergente
Exemple : Démonstration d'un commutateur 8×8 utilisant le SOA de liaison par puce retournée
Compromis entre les plateformes
Structure de commutateur optoélectronique à base de silicium
La photonique à base de silicium offre une plate-forme à faible coût pour l'intégration de commutateurs à grande échelle. Il existe deux principaux types de commutateurs au silicium : 1. Commutateurs multiplexeurs thermo-optiques (TO) :
- Utilisation d'un appareil de chauffage pour induire un déphasage
- Vitesse de commutation relativement lente (~ μs)
- La consommation d'énergie est inférieure à celle de l'électro-optique
Les données de démonstration pour un commutateur TO 32×32 utilisant une architecture de perte indépendante du chemin (PILOSS) sont une perte d'insertion moyenne de 10.8 dB, une bande passante de 3.5 nm et une diaphonie de -20 dB.
Le commutateur Beneš 64×64 TO plus grand atteint une perte d'insertion de 12 à 18 dB et une diaphonie de -30 à -44 dB sur une bande passante de 45 nm.
Commutateur multiplexeur électro-optique (EO) :
- Déphasage par injection/appauvrissement de porteurs
- Commutation rapide (~ns)
- La consommation d'énergie est supérieure à celle du TO
Le commutateur 32×32 EO Beneš présente des pertes sur puce de 13 à 19 dB, une diaphonie de -15 à -25 dB et des temps de commutation de 1 à 1.2 ns.
Structure du commutateur optique InP : La technologie InP permet l'intégration monolithique de composants actifs tels que les amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA), obtenant ainsi un fonctionnement de commutation sans perte.
Les principales manifestations comprennent :
- Commutateur SOA entièrement actif 16×16
- Commutateur SOA actif-passif 16×16 pour une meilleure efficacité énergétique
- Commutateur sélectif spatial et en longueur d'onde 8x8x8λ
Exemple de commutateur InP 8x8x8λ
Le commutateur combine la commutation dans le domaine spatial et en longueur d'onde pour permettre une connectivité et une capacité de données élevées, atteignant > 27 dB OSNR, 13.3 dB de perte sur puce et un temps de reconfiguration de 5 ns.
Structure de commutateur optoélectronique intégrée hétérogène:L'intégration hybride de dispositifs actifs InP et de dispositifs passifs en silicium combine les avantages des deux plates-formes. Les méthodes spécifiques incluent :
- Bond InP SOA Flip-chip vers circuits optoélectroniques à base de silicium
- Cultiver des matériaux III-V sur une seule puce de silicium
- Impression par transfert de dispositifs III-V sur silicium
Le commutateur utilise du silicium AWG pour le multiplexage par répartition en longueur d'onde et un InP SOA à puce retournée pour la commutation. Il atteint un gain de 16 dB et un rapport marche/arrêt de 34 dB.
Architecture d'interconnexion de centres de données utilisant des commutateurs optiques
Plusieurs architectures utilisant des commutateurs optiques ont été proposées pour les réseaux de centres de données : 1. Formation à l'apprentissage profond distribué : les commutateurs de circuits optiques (OCS) sont utilisés pour réorganiser dynamiquement les serveurs et diriger la bande passante afin de faire face aux charges de travail d'apprentissage profond distribué. Un banc d'essai à 16 nœuds a permis d'améliorer de 3.6 fois les performances du réseau par rapport à une topologie statique.
Contrôle de la bande passante pour le HPC : L'architecture Flexfly utilise des commutateurs photoniques en silicium pour commuter les liens globaux entre les groupes Dragonfly dans les réseaux HPC. Cela permet une reconfiguration dynamique pour correspondre aux modèles de trafic de l'application.
Centre de données distribué : L'architecture DACON utilise des commutateurs optiques nanosecondes pour configurer de manière flexible les ressources dans les centres de données distribués. Les résultats expérimentaux montrent que, par rapport à l'architecture centrée sur le serveur, l'application s'exécute 1.74 fois plus vite et consomme 34 % d'énergie en moins.
Commutation rapide de circuits optiques à grande échelle : Les réseaux Clos à plusieurs étages de commutateurs optiques à base de silicium peuvent atteindre un nombre de ports très élevé. Une cascade de 9 étages de commutateurs 32×32 a été démontrée, montrant la faisabilité d'un réseau strictement non bloquant de 131 072×131 072 ports.
Défis et perspectives d'avenir
Bien que les commutateurs optiques aient de vastes perspectives dans le domaine des centres de données, ils sont encore confrontés à de nombreux défis :
- Conditionnement : La gestion thermique, les interfaces électriques/optiques et la fiabilité mécanique nécessitent des développements supplémentaires.
- Évolutivité : la perte d'insertion et la diaphonie limitent la taille du commutateur. Des améliorations dans la conception et les processus de fabrication sont nécessaires.
- Contrôle : un plan de contrôle rapide et évolutif est nécessaire pour gérer de grandes structures de commutation.
- Consommation électrique : Réduisez la consommation d'énergie statique, en particulier pour les appareils dotés d'un grand nombre de ports.
- Processus de fabrication : Un contrôle strict des dimensions du guide d'ondes est très important pour les dispositifs sélectifs en longueur d'onde.
- Résolution des conflits : en raison du manque de tampons optiques, la gestion des conflits devient difficile.
Les orientations de recherche futures pour relever ces défis comprennent :
- Technologie d'emballage avancée
- Intégration hybride/hétérogène de III-V et de silicium
- Algorithme de contrôle basé sur l'apprentissage automatique
- Nouvelle architecture de commutateur qui améliore l'évolutivité
- Intégration aux paradigmes informatiques émergents (neuromorphique, quantique)
Conclusion
Les matrices de commutation optiques offrent des solutions aux défis de bande passante, de latence et d'efficacité énergétique des réseaux de centres de données de nouvelle génération. La technologie optoélectronique à base de silicium offre la voie à une intégration à grande échelle et à faible coût, tandis que les matériaux III-V permettent de créer des dispositifs actifs hautes performances. Les approches hybrides qui combinent les avantages des deux plates-formes présentent un grand potentiel.
À mesure que les technologies de fabrication et d’intégration gagnent en maturité, nous pouvons prévoir que les commutateurs optiques joueront un rôle de plus en plus important dans l’architecture des centres de données. Cela fera progresser les applications gourmandes en données telles que l’intelligence artificielle et le calcul scientifique tout en réduisant les coûts et la consommation d’énergie. La poursuite de la recherche et du développement dans le domaine des commutateurs optiques est importante pour répondre aux besoins d’interconnexion des futurs systèmes informatiques.