光互(hu)連和(he)光處(chu)理(li)如(ru)何改變(bian)數據中(zhong)心

盡管光(guang)學技(ji)術(shu)已(yi)經在(zai)數據中(zhong)心(xin)使(shi)用(yong)了幾十年，但(dan)現(xian)在(zai)它正(zheng)越(yue)來越深入數(shu)據中(zhong)心(xin)的(de)核(he)心——運(yun)行數(shu)據中(zhong)心工作(zuo)負(fu)載的處理器(qi)和(he)加(jia)速(su)器(qi)。那(na)么，我(wo)們(men)是如(ru)何(he)走(zou)到這(zhe)一步(bu)的(de)？未(wei)來會(hui)是(shi)什(shen)么樣子？

光(guang)通(tong)信(xin)具有高(gao)帶寬、低延遲和(he)低(di)能(neng)量損(sun)耗(hao)的優(you)勢(shi)。雖然(ran)它最(zui)初(chu)用(yong)于促(cu)進(jin)往返數據中(zhong)心的流(liu)量(liang)，但(dan)后來(lai)它(ta)被(bei)用(yong)于(yu)數據(ju)中心本身(shen)——通常是(shi)在(zai)機(ji)架頂(ding)部 (TOR) 上，以(yi)在機架(jia)頂部交(jiao)換機(ji)之間創建(jian)高(gao)速鏈(lian)路。人工智(zhi)能中(zhong)使用(yong)的(de)大數(shu)據(ju)流，其中低(di)延(yan)遲和(he)高(gao)帶(dai)寬互(hu)連(lian)至關重要，這(zhe)只會加(jia)速(su)光(guang)通(tong)信(xin)的(de)使用。

作為光(guang)學(xue)重要性的一(yi)個(ge)例(li)子(zi)，谷(gu)歌(ge)甚至開(kai)發(fa)了(le)自己的(de)光(guang)交(jiao)換(huan)機(ji)，它利(li)用自(zi)由空間(jian)光(guang)學(xue)元(yuan)件(jian)來(lai)降(jiang)低其網絡(luo)的延遲和功耗。通過使(shi)用(yong)自(zi)由(you)空間(jian)光(guang)學(xue)，谷歌避免(mian)了(le)在每(mei)個(ge)交(jiao)換(huan)機(ji)上(shang)在光(guang)域(yu)和(he)電域(yu)之間(jian)轉(zhuan)換(huan)信號的需(xu)要(yao)。

谷歌聲稱(cheng)，其(qi)定制(zhi)網絡(luo)可將(jiang)吞(tun)吐量(liang)提高(gao) 30%，功耗降(jiang)低(di) 40%，資(zi)本(ben)支(zhi)出降低(di) 30%，流程(cheng)完成率(lv)降低 10%，網(wang)絡停(ting)機時(shi)間(jian)減少(shao) 50 倍。這意(yi)味(wei)著(zhe)，如果(guo)節(jie)點(dian)發生(sheng)故障(zhang)或需要維(wei)修，可(ke)以快速(su)切換(huan)。

光互連的(de)興(xing)起(qi)

最近(jin)，在機架內(nei)部使用(yong)光(guang)互連的(de)趨勢(shi)日(ri)益(yi)增長。受人工(gong)智(zhi)能的高(gao)帶(dai)寬(kuan)、低(di)延(yan)遲(chi)要(yao)求（因(yin)為(wei)人(ren)工(gong)智(zhi)能模(mo)型(xing)分(fen)布在數(shu)十(shi)個處理(li)節(jie)點上(shang)）的推(tui)動，光(guang)互(hu)連(lian)正(zheng)在幫助(zhu)這些(xie)多(duo)節點(dian)系(xi)統盡(jin)可能(neng)快地運(yun)行(xing)。速(su)度(du)一如(ru)既往地至關(guan)重(zhong)要。光互(hu)連(lian)是一(yi)個(ge)充(chong)滿(man)創(chuang)新(xin)的領域。一些(xie)初(chu)創(chuang)公(gong)司(si)正(zheng)在(zai)開發(fa)全(quan)光分組(zu)交(jiao)換(huan)——避(bi)免在電(dian)域(yu)和(he)光(guang)域之間(jian)轉(zhuan)換信號的(de)需要，從而大(da)大(da)節(jie)省(sheng)了功耗(hao)和(he)延遲。其(qi)他公司正(zheng)在(zai)將光(guang)學技術應用到下一(yi)層(ceng)，正(zheng)在開(kai)發(fa)全(quan)光芯片到芯(xin)片(pian)甚至(zhi)硅片(pian)到硅(gui)片(pian)的(de)互(hu)連。在(zai)這里，通信(xin)帶(dai)寬(kuan)甚至更高。為了(le)實(shi)現(xian)這一(yi)進(jin)步(bu)，共(gong)封裝(zhuang)光學(xue)器(qi)件(jian)至(zhi)關(guan)重(zhong)要。代工(gong)廠和芯片(pian)封(feng)裝(zhuang)公(gong)司正在(zai)大(da)力(li)投(tou)資(zi)這一(yi)功(gong)能(neng)。

從(cong)切(qie)換到處(chu)理

光學不僅(jin)僅用于(yu)切(qie)換——它(ta)也(ye)可以用于(yu)處理。它具有(you)提(ti)供速度、功(gong)率(lv)和(he)效(xiao)率的(de)類(lei)似(shi)優勢(shi)。為什(shen)么(me)要使(shi)用(yong)光(guang)學(xue)進(jin)行處(chu)理(li)？人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)處(chu)理(li)需(xu)求正(zheng)在(zai)以(yi)驚(jing)人(ren)的(de)速(su)度(du)增(zeng)長，而(er)硅(gui)片(pian)路(lu)線(xian)圖(tu)無法(fa)跟(gen)上。硅片(pian)開發商(shang)正在(zai)追(zhui)逐收益(yi)遞減(jian)；投入(ru)越(yue)來(lai)越多(duo)的(de)時(shi)間(jian)、精力和(he)金(jin)錢(qian)來實(shi)現邊(bian)際性(xing)能(neng)提(ti)升(sheng)。目(mu)前(qian)業界的(de)答(da)案是(shi)增加硅片面積，在(zai)芯(xin)片(pian)內使用多個硅片(pian)，并使(shi)用復(fu)雜的封(feng)裝來解(jie)決由(you)此(ci)帶(dai)來(lai)的挑(tiao)戰(zhan)。但這需(xu)要(yao)付(fu)出巨(ju)大(da)的代價(jia)，包括(kuo)金(jin)錢(qian)和功耗(hao)。巨大(da)的(de)貨(huo)幣成(cheng)本是由購(gou)買(mai)最新(xin)和(he)最(zui)好的人(ren)工智能加(jia)速器的巨額(e)資本(ben)支(zhi)出，以及(ji)供(gong)應和(he)冷(leng)卻(que)這(zhe)些耗(hao)電設備(bei)所(suo)需(xu)的(de)增加的基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)所驅動的(de)；這(zhe)還沒有考(kao)慮到(dao)能(neng)源消耗的(de)增加(jia)成本。光(guang)學非常適合人工智能，特別(bie)是(shi)因(yin)為(wei)人工智(zhi)能(neng)的(de)核心(xin)使(shi)用矢量(liang)矩(ju)陣(zhen)乘(cheng)法，這(zhe)在光中可(ke)以(yi)非常有效地(di)解(jie)決。過(guo)去幾年(nian)，人們一直希望(wang)將(jiang)集(ji)成光(guang)子學(xue)應用(yong)于人工(gong)智能(neng)處理(li)，然(ran)而，由(you)于(yu)集(ji)成光子(zi)學(xue)在(zai)現(xian)代(dai)人工智能(neng)所需的(de)大規(gui)模矩陣處(chu)理方(fang)面(mian)存(cun)在(zai)局(ju)限(xian)性，該技(ji)術目前主(zhu)要(yao)集中(zhong)于互連或交換(huan)應用(yong)。

使用(yong) 3D（自(zi)由空間(jian)）光學(xue)器(qi)件進行(xing)處(chu)理(li)克服了這(zhe)些(xie)挑戰——它只使用一小部分功率(lv)，卻(que)實(shi)現(xian)了(le)性(xing)能飛(fei)躍(yue)。使(shi)用 3D 光(guang)學器(qi)件(jian)意味(wei)著可以(yi)使用非常寬的矢(shi)量(liang)，從而最(zui)大(da)限(xian)度(du)地提高(gao)性能(neng)和能(neng)源效(xiao)率(lv)。與(yu)當今(jin)的(de) GPU 解(jie)決(jue)方(fang)案(an)相比(bi)，使(shi)用 3D 光(guang)學器件(jian)的人(ren)工(gong)智能加(jia)速(su)器(qi)有望(wang)以極(ji)低的(de)資(zi)本和(he)運(yun)營成(cheng)本(ben)提供低(di)功耗(hao)、高(gao)性(xing)能的解決方案(an)。

隨(sui)著數(shu)據中(zhong)心對光(guang)學器(qi)件(jian)的使(shi)用(yong)日益增(zeng)多，用于(yu)人工(gong)智(zhi)能處(chu)理(li)的(de) 3D 光學器件(jian)將不可(ke)避免(mian)地成(cheng)為(wei)下一(yi)步。