未来的数据中心：重塑网络

　　在当今的互联网世界中，人们每隔60秒发送约1.68亿封电子邮件，1100万条短信，9.8万条微博和69.5万个Facebook更新。除了人类创造的数据以外，还有机器对机器通信活动，2017年的物联网应用将产生3.9艾字节（EB）的数据。

　　数据爆炸

　　在这所有的互联网活动中，每一分钟都将创造超过1820TB的新数据，这些数据在世界各地的数据中心之间被存储、处理，以及共享。而没有数据中心，根本就不会有云计算。

　　在过去的10年中，互联网的规模已经增长了100倍。为了适应这一快速增长，人们不得不增加数据中心的计算能力，并提高了1000倍的计算量。在未来10年内，为满足未来互联网的需求，人们将需要增加同样的容量。目前，没有人真正知道今后的互联网将发展成什么样子。

　　如今，运营商正在考虑如何实现“大规模”和“大型数据中心”，提供人们所需要的计算、存储、传输能力。大型数据中心将更多地使用软件定义的基础设施，并利用开放式架构软件和硬件的优势。

　　但业内对当今的数据中心架构是否能够提供人们所需要的能力的可行性表示严重关切。而亚马逊网络服务公司副总裁兼杰出工程师詹姆斯·汉密尔顿表示，未来的数据中心面临“红色警报”。

　　网络：一场完美风暴

　　其实可以将数据中心简化成两个组成部分：一是服务器（计算功能），它执行数据处理和存储功能；二是网络，用于连接一个大型数据中心的大量的服务器（通常为10万台以上）。

　　如今，摩尔定律仍然有效。在微处理器制造商的芯片中，晶体管数量每两年翻一番。而其芯片成本降低的好处将传导到服务器方面，在更低成本的情况下，获得更高性能的机器和更多的存储能力，这有助于推动云计算的增长。

　　不幸的是，相对于计算功能来说，摩尔定律的好处不能完全适用于数据中心的网络部分。例如，数据吞吐量，这是网络的一个重要指标，是由晶体管的速度决定的。而在芯片上增加越来越多的物理管脚，以及采用新的光纤传输技术，在这两个方面，摩尔定律却爱莫能助。

　　虽然芯片越来越便宜，而网络成本却在上升，而这种情况加剧了服务器的数量增长。因此，数据中心运营商现在更加专注于网络组件技术的研究。

　　这个问题的很大一部分来源于规模较小基数较小基本的网络单元：电气CMOS交换机芯片。大型数据中心拥有超过10万台服务器，必须允许每一台服务器具备通信连接，这需要一个巨大的网络，而这个网络通过一系列CMOS交换机芯片进行连接，却被限制在每24个或32个互连端口上。

　　由于这些CMOS交换机芯片端口数的限制，数据中心的广大网络交换节点和互连服务，仅仅作为一种不可思议的像蜘蛛网一样的网络交换节点连接之间的中介物。这些网络的交换节点和它们之间的联系取决于更小尺寸的CMOS交换机芯片。

　　基本交换机元件的基数对指定大小的数据中心所需的交换节点总数有直接影响。基数的大小决定了各个交换机和数据中心的整体构造（成本和功率要求），它限制了可扩展性的成本和复杂的基础。连接大量的服务器现在需要一个庞大的网络结构。并且，更糟的是，其所需的中间交换节点和互连的增长数量是服务器数量的数倍。

　　不断上升的数据中心成本和功耗的限制已经很好地证明了限制因素的问题严重。其限制因素就是数据中心的基本可扩展性，但是，只有质疑现在的网络能力，才有可能构建适应未来需要的数据中心网络。

　　重塑数据中心网络

　　为了适应未来数据中心的发展，我们需要大量简化网络。幸运的是，这个行业已经向更简单、更高效的网络架构迈进。一个例子是从传统的具有带宽瓶颈和单点故障单根树拓扑结构，基于Clos拓扑提高网络容量，并提供冗余的网络多路径。

　　软件定义网络允许建筑师单独的应用程序，控制和物理传输层，并将它们从专有硬件开放软件。这种方法在一组服务器上进行，允许控制台处理，并引导数据包到达目的地，从而简化了交换机的设计。

　　这些都是重要的，但是从根本上逐步改进两个例子。为了实现真正的可扩展性，我们需要在网络的关键领域部署创新和突破性的技术。

　　简化交换

　　我们需要三个基本的功能来创建数据中心网络：数据包处理，交换和传输。如今，通常情况下，数据包处理和交换功能可以通过传统的CMOS技术实现，而网络传输功能正朝着高带宽能力的光（光子）技术迈进。

　　正如我们已经看到的，大型数据中心网络目前依赖于相对较小的基数交换机，其吞吐率和经济可扩展性却受到交换技术的严重制约。但是通过改变网络的结构，简化交换机的工作，这使人们有了一个独特的机会，现在可以将光学技术引入到网络系统领域中。

　　这种电子和光子学的“智能整合”将让每一个技术发挥自己的优势：CMOS的密度可以提供进行复杂的处理能力，而光子学可以提高传输速度和传输能力。

　　通过大幅增加端口密度，放宽对交换机的大小限制为，扩展数据中心的容量，简化网络并提高吞吐量。通过电子和光子技术的结合，将使光域进行分组交换，以支持可扩展的交换功能，这在电子领域是不可能实现的。

　　例如，高速数据信号在单模光纤传输比在铜线上传输，其功率和成本要低得多。这种功能使网络设计者有了更多的选择，可以在数据中心配置更大的光学交换机。

　　此外，人们可以很容易地在同一光纤采用波分复用技术处理多个信号，从而降低了电缆的复杂性和成本。

　　更大的基数交换机

　　通过整合先进的光学交换机的功能与CMOS的数据包处理能力，可以实现基本交换机元件更大的基数。采取模块化的方法简化设计多级交换机，让数据中心实现更方便快捷的连接。

　　这种集成光交换解决方案将会受益于CMOS技术的摩尔定律的规模效益，以及光学领域的研究进展。这两个因素将有助于降低重定向网络的成本，可以更好地调整计算功能，并得到那些考虑如何提高数据中心容量，同时保持成本和功耗的数据中心运营商的关注。

　　CMOS和光子学在交换技术上的结合，具有降低组网成本和能耗的潜力。将交换功能引入到光学领域，这意味着不仅可以不断扩大基本元件的规模，而且还可以通过模块化的开关结构进行扩展。这种方法允许网络实现前所未有的可扩展性，可以提供下一代数据中心所需的带宽容量。

　　然而，发展这项技术，将采取系统级的多学科的方法，这就是为什么在光子、电子、软件、系统架构，以及半导体/光电子制造方面汇集全球顶级专家的主要原因。

　　数据中心网络具有上百亿美元的市场规模，并且不断增长。而硅光子学是满足这个市场潜力的关键因素，相信在未来10年中，互联网的计算能力和传输能力得到上千倍的增长。