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隨著人工智能和云計(jì)算的快速發(fā)展，對(duì)高容量數(shù)據(jù)交換的需求持續(xù)增長(zhǎng)。光交換憑借其寬帶寬和低延遲，正成為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的最有前景的解決方案之一。

相對(duì)早期電交換，光交換的優(yōu)勢(shì)在于，沒有緩沖，透明，與比特率無關(guān)的低功耗，低延時(shí)，可擴(kuò)展到非常大的端口數(shù)。   

據(jù)Lumentum估算，在10萬級(jí)GPU部署中，相較于InfiniBand或以太網(wǎng)方案，采用其OCS可使AI數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)整體功耗降低65%以上。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Cignal AI預(yù)測(cè)，在AI與云網(wǎng)絡(luò)發(fā)展推動(dòng)下，OCS市場(chǎng)規(guī)模將于2028年突破10億美元。   

現(xiàn)在光開關(guān)除了應(yīng)用于電信領(lǐng)域，還應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心，兩者發(fā)展路徑和對(duì)光開關(guān)要求有所不同，例如：

1、電信：網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)~30個(gè)，流量相對(duì)穩(wěn)定，中心控制層，10ms延時(shí)

2、數(shù)據(jù)中心：網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)~5000個(gè)，突發(fā)模式，結(jié)合SDN的分布控制層，小于10us延時(shí)

在這幾年的人工智能驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心（超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心）掀起新一輪人們研究光交換的浪潮。首先，人工智能光子學(xué)可以應(yīng)對(duì)指數(shù)級(jí)（每年10倍）的產(chǎn)能增長(zhǎng)，其低功效、光學(xué)可重構(gòu)、光保護(hù)/修復(fù)特性，保持人工智能訓(xùn)練和推理的高可用性，能夠提高人工訓(xùn)練的利用率、功率效率、吞吐量和虛擬機(jī)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)流量工程和負(fù)載均衡，預(yù)測(cè)重構(gòu)并進(jìn)行Hitless重新配置，此外，對(duì)可預(yù)測(cè)的故障進(jìn)行保護(hù)以及局部故障恢復(fù)。   

將光開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于人工智能領(lǐng)域的原因有：

1）通過扁平化互聯(lián)架構(gòu)來克服數(shù)據(jù)中心電開關(guān)的可擴(kuò)展性問題：光互連通過利用光并行和WDM大規(guī)模擴(kuò)展，平滑互連拓?fù)?，減小直徑，降低時(shí)延，降低功耗，根據(jù)工作負(fù)載重新配置無源互連。

2）光重構(gòu)優(yōu)化互連拓?fù)涞綉?yīng)用模式和提高可用性，避免擁塞和故障。

3）通過光恢復(fù)實(shí)現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行：使用LW Fabric（實(shí)線）的可重構(gòu)系統(tǒng)替換壞，與靜態(tài)系統(tǒng)（虛線）相比，有效吞吐量更高。

4）電開關(guān)延遲大

由光開關(guān)單元組成的集成光開關(guān)結(jié)構(gòu)拓?fù)涫纠缦滤?，需要指出的是，快速CDR突發(fā)模式對(duì)于光分組交換、光突發(fā)交換或動(dòng)態(tài)光電路交換是必不可少的，目前，學(xué)術(shù)界用的最多的是benes架構(gòu)，因其具有最少光開關(guān)數(shù)、路徑、損耗及控制維度，尤其是具有RNB（可重構(gòu)非阻塞）。

目前限制光開關(guān)大規(guī)模應(yīng)用的因素有：

1）光交換機(jī)不提供安全特性，前向糾錯(cuò)以及序列化

2）光插損必須<< 3db，這必須商用收發(fā)器（有源光纜和CPO）需要達(dá)到3dB的功率余量標(biāo)準(zhǔn)

3）沒有可行的光學(xué)緩沖方法：例如突發(fā)模式檢測(cè)或在中斷前與AI/ML進(jìn)行Hitless重新配置

4）中央控制平面只有在可以擴(kuò)展到1000個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)才有效。分布式控制平面或混合方法可以更好地?cái)U(kuò)展。

總結(jié)目前實(shí)現(xiàn)的各類光開關(guān)性能比較，商用光開關(guān)都是基于MEMS，學(xué)術(shù)界研究最多是基于硅光方案，但缺點(diǎn)是串?dāng)_大、插損大、端口數(shù)（不過這幾年也逐漸越來越多）。

下面來簡(jiǎn)單看看幾種光開關(guān)技術(shù)：

1、基于MEMS技術(shù)：

Lucent基于MEMS技術(shù)發(fā)布的Edge640，其主要特點(diǎn)是640全雙工接口，由2個(gè)320x320光開關(guān)核組成，偏振不敏感，50ms切換時(shí)間，<3 db損耗，-60db串?dāng)_

谷歌也是基于MEMS技術(shù)。

采用MEMS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可擴(kuò)展，端口數(shù)多，彈性架構(gòu)，分布式控制。

例如，通過陣列與16端口切片創(chuàng)建完全連接的576x576 OCS，在所有路徑上測(cè)量具有1.3dB中值損耗，最大3.2dB。但準(zhǔn)直光學(xué)元件增加工作距離使得光學(xué)矩陣尺寸更大。

在這次OFC上，Lumentum基于成熟MEMS技術(shù)發(fā)布其R300 OCS 300x300端口光路開關(guān)（OCS）樣品，并已向多家超大規(guī)模（Hyperscale）客戶提供，并計(jì)劃于2025年下半年正式上市。這款突破性產(chǎn)品及方案旨在提升人工智能集群、數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、性能與能效。其特點(diǎn)是，顯著節(jié)能、超低時(shí)延（消除光電光轉(zhuǎn)換，時(shí)延較以太網(wǎng)交換降低5-10倍）、超寬波段（支持O/C/L波段）、卓越低插入/回波損耗、極低偏振相關(guān)損耗（PDL）與偏振模色散（PMD）、超強(qiáng)穩(wěn)定性和高可靠性。

2、液晶光開關(guān)：

代表性的商用產(chǎn)品是WSS，其最大特點(diǎn)是增加波長(zhǎng)維度，通過波束控制實(shí)現(xiàn)多路光纖分配，每個(gè)輸入的波長(zhǎng)在可用的基礎(chǔ)上被解復(fù)用到單個(gè)輸出端口。目前典型插損是5dB，切換速度<100ms，ER>30dB，偏振不敏感，缺點(diǎn)是成本高。

3、硅光技術(shù)——MEMS

    在硅光平臺(tái)上制作MEMS結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)直通和交插，主要特點(diǎn)是MEMS驅(qū)動(dòng)開關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)下幾乎為零損耗，可擴(kuò)展到高端口數(shù)，且沒有級(jí)聯(lián)損耗，具有高消光比（> 60db）以及寬帶（> 120nm）。

最具代表性的是UC Berkeley的 240x240 SiPhotonic OCS，具有高集成度，片上集成170,000個(gè)單元，每個(gè)端口的片上波導(dǎo)損耗僅0.04 dB，高消光比> 60dB，切換時(shí)間僅400 ns。

4、硅光技術(shù)——MZIs   

這個(gè)是學(xué)術(shù)界研究最多的結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)是高集成度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。隨著一代代發(fā)展，目前典型損耗>3dB，串?dāng)_<-25dB，切換時(shí)間可達(dá)到ns級(jí)，功耗僅x00mW，尺寸僅xxmm^2。具體進(jìn)展下篇介紹。

5、集成光學(xué)——InP SOA

    最具代表性的是 Eindhoven's AP 16x16 InGaAsP/InP Photonic Switch Chip，結(jié)合空間交換和波長(zhǎng)路由選擇，可改善光端口連通性，其最主要好處是，通過片上集成SOA可以補(bǔ)充光插損。

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