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As Redes de Data Center (DCNs) enfrentam desafios devido ao crescimento exponencial no tráfego de dados impulsionado por aplicativos como streaming de vídeo, inteligência artificial, aprendizado de máquina e computação em nuvem. Os switches eletrônicos tradicionais lutam para acompanhar as crescentes demandas de largura de banda e conectividade, mantendo baixo consumo de energia e baixa latência. A tecnologia de switch óptico oferece uma solução promissora para esses desafios, fornecendo comutação de alta largura de banda, baixa latência e eficiência energética.
Este artigo fornece uma visão geral das arquiteturas de switch óptico para data centers de próxima geração e redes de computação de alto desempenho (HPC). Apresentaremos métricas de desempenho chave, arquiteturas de switch, tecnologia de switch óptico integrada e implementações de exemplo. Por fim, discutiremos os desafios e as perspectivas futuras dos switches ópticos em data centers.
Métrica-chave de desempenho
Ao avaliar switches ópticos para aplicações de data center, diversas métricas importantes devem ser consideradas:
- Capacidade: É necessária comutação de alta largura de banda, especialmente para comunicações entre racks e entre clusters.
- Latência: Baixa latência (microssegundos ou menos) é muito importante para muitas aplicações de data center.
- Interconectividade: O switch deve suportar um grande número de fluxos simultâneos entre servidores.
- Escalabilidade: a rede deve ser capaz de escalar para um grande número de nós de maneira econômica.
- Velocidade de reconfiguração: a reconfiguração rápida do switch (nanossegundos para microssegundos) permite alocação flexível de largura de banda.
- Eficiência energética: O consumo de energia das futuras DCNs deve ser controlado em cerca de 1 pJ/bit ou menos.
- Custo: O custo por porta deve ser de aproximadamente US$ 10 para ser competitivo com switches eletrônicos.
- Perda de inserção: É necessária baixa perda (<10 dB), especialmente para switches em cascata.
- Diafonia: O requisito típico para grandes matrizes de comutação é <-35dB.
- Número de portas: aplicações de data center exigem pelo menos 16 a 32 portas.
Arquitetura de switch óptico
Uma variedade de arquiteturas de switch óptico foram desenvolvidas, incluindo: 1. Tipo de árvore Banyan: Número mínimo de elementos de comutação, mas com congestionamento de rede. 2. Beneš: Reorganizável, não bloqueante, número mínimo de elementos de comutação. 3. Switch de barra cruzada: estritamente não bloqueante, mas N portas requerem N^2 elementos. 4. Plano de nível N: evita cruzamento de guia de onda e é benéfico para integração fotônica. 5. Perda independente de caminho (PILOSS): Alcança perda uniforme em todos os caminhos. 6. Rede expandida: Elimina diafonia de primeira ordem às custas de mais componentes.
Diagrama esquemático de várias topologias comuns de switches ópticos
A escolha da topologia afeta as principais características do switch, como comportamento de bloqueio, diafonia, número de componentes e séries.
Tecnologia de comutação optoeletrônica integrada
Atualmente, diversas plataformas de integração optoeletrônica estão sendo exploradas para comutação óptica.
Tecnologia optoeletrônica baseada em silício:
- Utiliza processo de fabricação CMOS maduro
- A produção em larga escala tem vantagens de custo
- Equipamento compacto
- Alta perda de inserção e diafonia
- Geralmente utiliza interruptores termo-ópticos ou eletro-ópticos
Exemplo: interruptor Benesh termo-óptico 64×64 com perda de inserção de 12-18 dB
Tecnologia Optoeletrônica InP:
- componentes ativos integráveis (lasers, SOA)
- Interruptor de baixa perda e alta taxa de extinção
- Velocidade de comutação rápida (nanossegundos)
- Custa mais que o silício
Exemplo: Demonstração de operação sem perdas com base em 16×16 SOA
Dispositivos híbridos III-V baseados em silício:
- Combine as vantagens do InP e do silício
- Permite comutação de baixa perda e ganho integrado
- Ainda uma tecnologia emergente
Exemplo: Demonstração de switch 8×8 usando flip chip bonding SOA
Compensações entre plataformas
Estrutura de interruptor optoeletrônico à base de silício
A fotônica baseada em silício fornece uma plataforma de baixo custo para integração de comutadores em larga escala. Dois tipos principais de comutadores de silício: 1. Comutadores multiplexadores termo-ópticos (TO):
- Usando um aquecedor para induzir uma mudança de fase
- Velocidade de comutação relativamente lenta (~μs)
- O consumo de energia é menor que o da eletro-óptica
Dados de demonstração para um switch TO 32×32 usando uma arquitetura de perda independente de caminho (PILOSS) são perda de inserção média de 10.8 dB, largura de banda de 3.5 nm e diafonia de -20 dB.
O switch TO Beneš 64×64 maior atinge perda de inserção de 12-18 dB e diafonia de -30 a -44 dB em uma largura de banda de 45 nm.
Interruptor multiplexador eletro-óptico (EO):
- Deslocamento de fase usando injeção/depleção de portadora
- Comutação rápida (~ns)
- O consumo de energia é maior que TO
O switch 32×32 EO Beneš tem perdas no chip de 13-19 dB, diafonia de -15 a -25 dB e tempos de comutação de 1-1.2 ns.
Estrutura do interruptor óptico InP: A tecnologia InP permite a integração monolítica de componentes ativos, como amplificadores ópticos semicondutores (SOAs), alcançando assim uma operação de comutação sem perdas.
As principais demonstrações incluem:
- Switch SOA totalmente ativo 16×16
- Interruptor SOA ativo-passivo 16×16 para maior eficiência energética
- Interruptor seletivo espacial e de comprimento de onda 8x8x8λ
Exemplo de interruptor InP 8x8x8λ
O switch combina comutação de domínio espacial e de comprimento de onda para permitir alta conectividade e capacidade de dados, alcançando >27 dB OSNR, 13.3 dB de perda no chip e tempo de reconfiguração de 5 ns.
Estrutura de comutação integrada optoeletrônica heterogênea: A integração híbrida de dispositivos ativos InP e dispositivos passivos de silício combina as vantagens de ambas as plataformas. Os métodos específicos incluem:
- Ligação de flip-chip SOA InP a circuitos optoeletrônicos baseados em silício
- Cultive materiais III-V em um chip de silício
- Impressão de transferência de dispositivos III-V para silício
O switch usa silício AWG para multiplexação por divisão de comprimento de onda e flip-chip bonded InP SOA para comutação. Ele atinge ganho de 16 dB e taxa de ativação/desativação de 34 dB.
Arquitetura de interconexão de data center usando switches ópticos
Várias arquiteturas que utilizam switches ópticos foram propostas para redes de data center: 1. Treinamento de aprendizado profundo distribuído: switches de circuito óptico (OCS) são usados para reorganizar dinamicamente servidores e direcionar largura de banda para lidar com cargas de trabalho de aprendizado profundo distribuído. Um testbed de 16 nós obteve uma melhoria de 3.6x no desempenho da rede em comparação a uma topologia estática.
Controle de largura de banda para HPC: A arquitetura Flexfly usa switches fotônicos de silício para alternar links globais entre grupos dragonfly em redes HPC. Isso permite reconfiguração dinâmica para corresponder aos padrões de tráfego do aplicativo.
Centro de Dados Distribuído: A arquitetura DACON usa switches ópticos de nanossegundos para configurar recursos de forma flexível em data centers distribuídos. Resultados experimentais mostram que, em comparação com a arquitetura centrada em servidor, o aplicativo roda 1.74 vezes mais rápido e consome 34% menos energia.
Comutação rápida de circuitos ópticos em larga escala: Redes Clos multiestágio de switches ópticos baseados em silício podem atingir contagens de portas muito altas. Uma cascata de 9 estágios de switches 32×32 foi demonstrada, mostrando a viabilidade de uma rede estritamente não bloqueante de 131×072 portas.
Desafios e Perspectivas Futuras
Embora os switches ópticos tenham amplas perspectivas no campo de data center, eles ainda enfrentam muitos desafios:
- Embalagem: Gerenciamento térmico, interfaces elétricas/ópticas e confiabilidade mecânica requerem maior desenvolvimento.
- Escalabilidade: Perda de inserção e diafonia limitam o tamanho do switch. Melhorias nos processos de design e fabricação são necessárias.
- Controle: Um plano de controle rápido e escalável é necessário para gerenciar grandes estruturas de switch.
- Consumo de energia: reduza o consumo de energia estática, especialmente para dispositivos com um grande número de portas.
- Processo de fabricação: O controle rigoroso das dimensões do guia de ondas é muito importante para dispositivos seletivos de comprimento de onda.
- Resolução de contenção: Devido à falta de buffers ópticos, o tratamento de contenção se torna difícil.
As direções futuras de pesquisa para enfrentar esses desafios incluem:
- Tecnologia avançada de embalagem
- Integração híbrida/heterogênea de III-V e silício
- Algoritmo de controle baseado em aprendizado de máquina
- Nova arquitetura de switch que melhora a escalabilidade
- Integração com paradigmas de computação emergentes (neuromórficos, quânticos)
Conclusão
Tecidos de comutação óptica oferecem soluções para os desafios de largura de banda, latência e eficiência energética das redes de data center de próxima geração. A tecnologia optoeletrônica baseada em silício fornece um caminho para integração de baixo custo e larga escala, enquanto materiais III-V permitem dispositivos ativos de alto desempenho. Abordagens híbridas que combinam as vantagens de ambas as plataformas mostram grande potencial.
À medida que as tecnologias de fabricação e integração amadurecem, podemos prever que os switches ópticos desempenharão um papel cada vez mais importante na arquitetura do data center. Isso avançará aplicativos intensivos em dados, como inteligência artificial e computação científica, ao mesmo tempo em que reduzirá custos e consumo de energia. Pesquisa e desenvolvimento contínuos em switches ópticos são importantes para atender às necessidades de interconexão de futuros sistemas de computação.