明天的数据中心

我们每天通过联网的设备和服务向全球传输海量数据,这要求我们在维持现代网络生活和商业技术所需的电力、带宽和物理空间方面提高效率。

加州大学圣巴巴拉分校(UC Santa Barbara)电气和计算机工程教授丹尼尔•布卢门撒尔(Daniel Blumenthal)表示:“如今,世界上很多地方都是相互连接的,从商业到金融再到社交,所有事情都依赖于数据中心。”他说,目前正在处理的数据量增长如此之快,以至于沿着所谓的信息高速公路将数据从一个地方传送到另一个地方所需要的电力占了世界总能源消耗的很大一部分。互联网络尤其如此。互联网络是互联网基础设施的一部分,其任务是将数据从一个地方传输到另一个地方。

布卢门撒尔说:“可以把互联看作是高速公路和公路之间的数据传输。从将数据从一个设备转移到下一个设备的本地类型,到负责数据中心之间连接的版本,有多个级别的互连。由于这些元件需要将越来越多的数据从电子信号转换成光,再转换回电子信号,仅为互连提供动力所需的能源就占全球总能源消耗的10%,而且还在不断攀升。保持数据服务器冷却所需的能量也会增加总功耗。

布卢门撒尔解释说:“全球范围内的数据流量正在把数据中心的容量提高到前所未有的水平,而今天的工程解决方案正在崩溃。”“使用传统的方法,当这种能力爆炸时,会对物理设备的能源和成本要求征税,所以我们需要彻底的新方法。”

作为额外的基础设施的需求来维持高速公路性能的增加,所有这些组件所需的物理空间和数据中心成为一个限制因素,创建信息流动的瓶颈,即使数据处理芯片提高能力高达100字节每秒。

Blumenthal同时也是加州大学圣巴巴拉分校Terabit光以太网中心的主任,同时也是微软光学云研究联盟的代表。

这一挑战是布卢门撒尔的壁画现在的工作:频率稳定相干光低能量波分复用直流互连。FRESCO团队将光(光学)的高速、高数据容量和低能耗应用于先进的互联网基础设施架构,旨在解决数据中心的瓶颈,同时将能源使用和空间需求提升至更可持续的水平。

该项目由ARPA-e在2018年开放项目下资助,代表了一个重要的产学研合作伙伴关系,重点是技术转型。FRESCO项目涉及重要的行业合作伙伴,如微软和Barefoot Networks(现在的Intel),它们正寻求过渡新技术,以解决芯片和数据中心容量爆炸的问题。

布卢门撒尔认为,关键在于缩短光学和电子之间的距离,同时大幅度提高互连线发射端和接收端之间保持光学信号同步的效率。

FRESCO可以实现这一目标,它将光学技术的性能(目前只适用于通过光纤电缆进行长途传输)引入芯片,并将光学和电子元件放在同一个开关芯片上。

布卢门撒尔说:“FRESCO能够做到这一点的方法是将大规模物理实验中的技术应用到芯片上。”这与传统的插接式面板技术不同,后者需要信号传输一段距离后才能转换。

从大的物理到小的芯片
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光信号可以用一种被称为相干波分复用(WDM)的技术堆叠起来,这种技术允许信号在不同的频率(颜色)上通过一根光纤发送。然而,由于空间限制,Blumenthal说,用于处理长距离光学信号的传统措施,包括电子数字信号处理(DSP)芯片和非常高带宽的电路,必须从互连链路中移除。

FRESCO用一种优雅而强大的技术将光锚定在发射端和接收端,创造出光谱上纯净稳定的光,Blumenthal称之为“安静的光”。

布卢门撒尔说:“为了实现这一目标,我们引入了光稳定技术和多年来在原子钟、精密计量和引力波探测方面发展起来的技术,并利用这种稳定、安静的光来解决数据中心的问题。”“将大型物理实验室的关键技术应用到芯片上是这项工作的挑战和乐趣所在。”

具体来说,他和他的团队一直在使用一种被称为受激布里渊散射的现象,这种现象的特征是光——光子——与材料内部产生的声音的相互作用。这些声波——声子——是材料原子受光刺激产生的集体振动的结果,这些原子起着缓冲和降低“嘈杂”的光频率的作用,在发射端和接收端形成一个频谱纯净的光源。解决方案的第二部分是使用光学腔来固定或稳定这些纯光源,这些光学腔存储的能量质量如此之高,以致于激光可以通过使用无线电世界中使用的低能量电子电路来校准。

校准的行为要求光频率和相位保持相等,以便数据可以恢复。这通常需要高功率模拟电子或高功率数字信号处理器(dsp),这不是将这种能力引入数据中心的可行解决方案(它们在数据中心有10万亿个光纤连接,而在长途传输中只有10个)。此外,数据中心内部的技术占用的能源和空间越多,用于数据中心冷却的能源和空间就越多。

布卢门撒尔在谈到弗雷斯科时说:“只需要很少的能量就能使它们保持一致,找到彼此,就像用于无线电的电子电路一样。”“这是最令人兴奋的部分——我们启用使用低能耗在400太赫兹传输载体携带数据简单的电子电路,而不是使用需求方和高带宽电路,它在本质上投了很多光信号处理能力的追捕和匹配光信号的频率和相位,这样可以恢复数据。根据布卢门撒尔的说法,用FRESCO方法,来自发射端和接收端的激光“首先被固定在对方的视野内,在几分钟的时间内缓慢漂移,几乎不需要费力就能跟踪到其中一个。”



之后,虽然仍处于早期阶段,FRESCO团队的技术很有前途。开发了离散组件之后,该团队准备通过连接这些组件、测量能量使用、然后在频率稳定的链路上用迄今为止最低的能量通过单个频率传输最高的数据容量来演示这个概念。未来的步骤包括使用一种称为光学频率梳的技术来演示多个频率,这种技术是原子钟、天体物理学和其他精密科学不可或缺的。该团队正在将这些组件集成到单个芯片上,最终的目标是开发能够过渡到FRESCO技术的制造流程。

这项技术可能只是光通信领域创新的冰山一角。

布卢门撒尔说:“我们看到我们的芯片组被一个数据中心连接取代,而现在需要4到10个机架的设备。”“通过开发这项技术获得的基础知识可以很容易地应用到我们尚未发明的应用中,例如在量子通信和计算、精密计量、精密计时和导航等领域。”

“如果你看看趋势,随着时间的推移,你可以看到的东西过去了一屋子的设备成为个人可通过技术创新——例如通过纳米晶体管超级计算机,笔记本电脑,”他说的破坏成为了波在个人电脑和所有它启用。“我们现在知道如何将FRESCO技术应用到数据中心扩展问题上,但我们认为还会有其他不可预见的应用。这是在事先不知道所有答案或应用的情况下进行研究探索和投资的主要原因之一。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.news.ucsb.edu/2019/019703/tomorrow-s-data-centers

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