数据中心是云计算的核心支撑平台。云计算的发展对数据中心网络架构提出了严峻挑战。传统的电互连网络架构在带宽、设备开销、能耗和管理复杂性等方面难以满足云应用的需求。因此，具有低能耗、低开销和高带宽特点的光互连网络架构应运而生，并受到广泛关注。
　　
　　电气互连网络的技术挑战
　　
　　云计算的发展导致数据中心流量呈爆炸式增长。因此，接入层采用10GbE交换架构、核心层采用40G/100GbE交换架构已成为数据中心网络未来发展的基本趋势。在这种情况下，数据中心的电气互连架构将面临以下技术挑战。
　　
　　带宽
　　
　　对于铜缆而言，在额定功率下，通信带宽和传输距离之间存在一定的权衡关系，即随着通信带宽的增加，铜缆的传输距离会减小。对于10Gbps的通信带宽，10G铜缆的传输距离将小于10m。为了获得更远的传输距离，发射器的功率需要大于6W/端口。因此，随着链路带宽需求的增加，铜缆不再是理想的传输介质。
　　
　　交换容量
　　
　　由于单线传输速率受限于信号损耗和码间干扰，芯片设计中通常通过增加线路的位宽来提高信号传输速率。然而，这种方法最终会受到芯片封装面积的限制。因此，随着信号速率的提高，交换芯片支持的端口数量会逐渐减少。例如，在当前的技术水平和封装限制下，如果端口速率为80Gbps，基于电集成技术的交换芯片最多只能支持64个端口。
　　
　　开销
　　
　　随着链路带宽的提升，铜缆或背板线路中电信号的传输损耗也随之增加，因此需要对信号进行复杂的预加重和纠错处理。此外，由于端口密度和交换容量的限制，为了满足大容量交换的需求，电交换网络需要使用更多的设备和更复杂的互连方式，这增加了网络的设备和布线成本。
　　
　　功耗
　　
　　能耗已成为制约数据中心发展的瓶颈因素之一。据预测，从2012年到2020年，高性能计算系统的峰值计算能力和带宽将分别以每4年10倍和20倍的速度增长，但其能耗的增长速度却仅允许以每4年2倍的速度增长。
　　
　　这给数据中心的设计带来了严峻的挑战。数据中心的网络能耗约占总能耗的23%。随着链路速率和交换容量的提升，网络能耗占比将持续增加。
　　
　　由于目前电气交换机的能耗并不能随着负载的降低而成比例下降，因此电气互连网络常用的节能策略主要包括：
　　
　　①将网络流量集中到更少的链路和交换设备上，并关闭闲置的网络设备;②降低链路速率以节省传输器的能耗。以上两种策略都会在一定程度上造成性能损失。
　　
　　光互连技术的优势
　　
　　光互连技术具有解决上述问题的巨大潜力。在最佳条件下，光电混合网络Helios与同等规模的电力网络相比，可节省2倍的成本、5倍的设备开销和8倍的网络能耗。光互连架构能够实现上述优化的主要原因包括以下几个方面：
　　
　　在传输带宽方面，基于100GbpsPM-QPSK调制的相干接收机已实现商用。结合DWDM技术，一对单模光纤的传输带宽可达12Tbps。此外，在传输距离方面，目前多模光纤和单模光纤的无中继传输距离足以满足数据中心的互连需求;
　　
　　在交换容量方面，光交换架构可以实现更高的交换容量。
　　
　　这是因为：
　　
　　①高速光信号的损耗和串扰远小于电信号;
　　
　　②通过波分复用技术，单个光波导中承载的信道数量可以增加数十倍;
　　
　　在网络开销方面，光纤具有更高的带宽、更小的横截面积和更轻的重量，因此可以带来更好的散热效果，并降低网络布线开销。同时，由于大多数光交换单元对信号速率、调制方式、协议等具有透明传输的特性，因此无需更换光交换设备即可提升网络链路带宽。
　　
　　此外，由于光交换机可以实现更大的交换容量和更高的端口密度，许多全光互连网络或光电混合网络可以实现扁平化架构设计。这大大降低了网络的设备和管理开销;
　　
　　在能耗方面，光互连技术可以很好地解决能耗与性能之间的权衡问题。
　　
　　这主要是因为：
　　
　　①光信号损耗更低，传输距离更长，因此光链路可以使用更低的传输功率;
　　
　　②对于全光交换架构，信号无需经历光电(O/E)和电光(E/O)转换过程;
　　
　　②光交换架构可采用无源或低功耗光器件构建，因此可以进一步降低网络能耗。
　　
　　结论
　　
　　可以看出，由于通信带宽、交换容量、设备开销和能耗的限制，电互连网络难以满足云计算数据中心的通信需求。因此，高带宽、低能耗的光互连技术受到了研究人员的关注。特别是随着硅光子技术和光集成技术的发展，光交换设备的成本不断降低，这促进了光互连技术在数据中心的应用和部署。
　　
　　编辑：Harris