개요
데이터 센터 네트워크(DCN)는 비디오 스트리밍, 인공 지능, 머신 러닝, 클라우드 컴퓨팅과 같은 애플리케이션으로 인해 데이터 트래픽이 기하급수적으로 증가함에 따라 어려움에 직면합니다. 기존의 전자 스위치는 낮은 전력 소비와 낮은 대기 시간을 유지하면서 증가하는 대역폭과 연결 수요를 따라잡기 위해 고군분투합니다. 광 스위치 기술은 고대역폭, 낮은 대기 시간, 에너지 효율적인 스위칭을 제공하여 이러한 과제에 대한 유망한 솔루션을 제공합니다.
이 글에서는 차세대 데이터 센터와 고성능 컴퓨팅(HPC) 네트워크를 위한 광 스위치 아키텍처에 대한 개요를 제공합니다. 주요 성능 지표, 스위치 아키텍처, 통합 광 스위치 기술 및 구현 사례를 제시합니다. 마지막으로 데이터 센터에서 광 스위치의 과제와 미래 전망에 대해 논의합니다.
주요 성과 지표
데이터 센터 애플리케이션용 광 스위치를 평가할 때 몇 가지 주요 지표를 고려해야 합니다.
- 용량: 특히 랙 간 및 클러스터 간 통신에는 고대역폭 스위칭이 필요합니다.
- 지연 시간: 짧은 지연 시간(마이크로초 이하)은 많은 데이터 센터 애플리케이션에 매우 중요합니다.
- 상호 연결성: 스위치는 서버 간에 많은 수의 동시 흐름을 지원해야 합니다.
- 확장성: 네트워크는 비용 효율적인 방식으로 많은 수의 노드로 확장할 수 있어야 합니다.
- 재구성 속도: 빠른 스위치 재구성(나노초에서 마이크로초)으로 유연한 대역폭 할당이 가능합니다.
- 전력 효율성: 향후 DCN의 에너지 소비는 약 1 pJ/bit 또는 그 이하로 제어되어야 합니다.
- 비용: 전자 스위치와 경쟁력을 갖추려면 포트당 비용이 약 10달러가 될 것으로 목표됩니다.
- 삽입 손실: 특히 계단형 스위치의 경우 낮은 손실(<10dB)이 요구됩니다.
- 크로스토크: 대형 스위치 매트릭스에 대한 일반적인 요구 사항은 <-35dB입니다.
- 포트 수: 데이터 센터 애플리케이션에는 최소 16~32개의 포트가 필요합니다.
광 스위치 아키텍처
다음을 포함한 다양한 광 스위치 아키텍처가 개발되었습니다. 1. 반얀 트리 유형: 스위칭 소자의 수가 최소이지만 네트워크 혼잡이 있습니다. 2. 베네시: 재배열 가능하고 차단되지 않으며 스위칭 소자의 수가 최소입니다. 3. 크로스바 스위치: 엄격히 차단되지 않지만 N 포트에 N^2 소자가 필요합니다. 4. N 레벨 평면: 광파도관 교차를 피하고 광자 통합에 유익합니다. 5. 경로 독립 손실(PILOSS): 모든 경로에서 균일한 손실을 달성합니다. 6. 확장된 네트워크: 더 많은 구성 요소를 희생하여 XNUMX차 크로스토크를 제거합니다.
여러 가지 일반적인 광 스위치 토폴로지의 개략도
토폴로지 선택은 차단 동작, 크로스토크, 구성 요소 수 및 시리즈와 같은 키 스위치 특성에 영향을 미칩니다.
통합 광전자 스위칭 기술
현재, 광 스위칭을 위해 여러 광전자 통합 플랫폼이 연구되고 있습니다.
실리콘 기반 광전자 기술:
- 성숙한 CMOS 제조 공정 활용
- 대량 생산은 비용 측면에서 이점이 있습니다
- 컴팩트한 장비
- 높은 삽입 손실 및 크로스토크
- 일반적으로 열광학 또는 전기광학 스위치를 사용합니다.
예: 삽입 손실이 64-64dB인 12×18 Thermo-Optical Benesh 스위치
InP 광전자 기술:
- 통합 가능한 활성 구성 요소(레이저, SOA)
- 낮은 손실, 높은 소멸 비율 스위치
- 빠른 전환 속도(나노초)
- 실리콘보다 비용이 많이 든다
예: 16×16 SOA 기반 무손실 작업 데모
실리콘 기반 III-V 하이브리드 장치:
- InP와 실리콘의 장점을 결합하다
- 저손실 스위칭 및 통합 이득을 가능하게 합니다.
- 아직은 새로운 기술입니다
예: 플립칩 본딩 SOA를 사용한 8×8 스위치 데모
플랫폼 간의 균형
실리콘 기반 광전자 스위치 구조
실리콘 기반 광자공학은 대규모 스위치 통합을 위한 저비용 플랫폼을 제공합니다. 두 가지 주요 유형의 실리콘 스위치: 1. 열광학(TO) 멀티플렉서 스위치:
- 히터를 사용하여 위상 이동 유도
- 비교적 느린 스위칭 속도 (~μs)
- 전기광학에 비해 전력소모가 적다
경로 독립 손실(PILOSS) 아키텍처를 사용하는 32×32 TO 스위치에 대한 데모 데이터는 평균 삽입 손실이 10.8dB, 대역폭은 3.5nm, 크로스토크는 -20dB입니다.
더 큰 64×64 TO Beneš 스위치는 12nm 대역폭에서 18~30dB 삽입 손실과 -44~-45dB 크로스토크를 달성합니다.
전기 광학(EO) 멀티플렉서 스위치:
- 캐리어 주입/고갈을 이용한 위상 변환
- 빠른 전환 (~ns)
- 전력 소모량이 TO보다 높습니다.
32×32 EO Beneš 스위치는 칩 내 손실이 13~19dB, 크로스토크가 -15~-25dB, 스위칭 시간이 1~1.2ns입니다.
InP 광 스위치 구조: InP 기술은 반도체 광 증폭기(SOA)와 같은 능동 부품의 일체형 통합을 가능하게 하여 손실 없는 스위칭 동작을 구현합니다.
주요 시연 내용은 다음과 같습니다.
- 16×16 완전 활성 SOA 스위치
- 더 높은 전력 효율성을 위한 16×16 액티브-패시브 SOA 스위치
- 8x8x8λ 공간 및 파장 선택 스위치
8x8x8λ InP 스위치의 예
이 스위치는 공간 및 파장 영역 스위칭을 결합하여 높은 연결성과 데이터 용량을 구현하고, 27dB 이상의 OSNR, 13.3dB의 온칩 손실, 5ns의 재구성 시간을 달성합니다.
이종 광전자 집적 스위치 구조: InP 액티브 디바이스와 실리콘 패시브 디바이스의 하이브리드 통합은 두 플랫폼의 장점을 결합합니다. 구체적인 방법은 다음과 같습니다.
- Bond InP SOA 플립칩을 실리콘 기반 광전자 회로로
- 실리콘 칩 하나에 III-V 재료 성장
- III-V 소자를 실리콘에 전사 인쇄
스위치는 파장 분할 다중화를 위해 실리콘 AWG를 사용하고 스위칭을 위해 플립칩 본딩 InP SOA를 사용합니다. 16dB 이득과 34dB 온/오프 비율을 달성합니다.
광 스위치를 사용한 데이터 센터 상호 연결 아키텍처
데이터 센터 네트워크를 위해 광 스위치를 활용하는 여러 아키텍처가 제안되었습니다. 1. 분산형 딥 러닝 훈련: 광 회로 스위치(OCS)는 서버를 동적으로 재구성하고 대역폭을 직접 지정하여 분산형 딥 러닝 워크로드에 대처하는 데 사용됩니다. 16노드 테스트베드는 정적 토폴로지에 비해 네트워크 성능이 3.6배 향상되었습니다.
HPC에 대한 대역폭 제어: Flexfly 아키텍처는 실리콘 광자 스위치를 사용하여 HPC 네트워크에서 dragonfly 그룹 간의 글로벌 링크를 전환합니다. 이를 통해 애플리케이션의 트래픽 패턴과 일치하도록 동적 재구성이 가능합니다.
분산 데이터 센터: DACON 아키텍처는 나노초 광 스위치를 사용하여 분산 데이터 센터에서 리소스를 유연하게 구성합니다. 실험 결과에 따르면 서버 중심 아키텍처와 비교했을 때 애플리케이션이 1.74배 더 빠르게 실행되고 전력 소모가 34% 적습니다.
대규모 고속 광회로 교환: 실리콘 기반 광 스위치의 다단계 Clos 네트워크는 매우 높은 포트 수를 달성할 수 있습니다. 9×32 스위치의 32단계 캐스케이드가 시연되어 131, 072×131, 072포트의 엄격히 차단되지 않는 네트워크의 실현 가능성을 보여주었습니다.
도전과 미래 전망
광 스위치는 데이터 센터 분야에서 폭넓은 전망을 가지고 있지만 여전히 많은 과제에 직면해 있습니다.
- 포장: 열 관리, 전기/광학 인터페이스, 기계적 신뢰성에 대한 추가 개발이 필요합니다.
- 확장성: 삽입 손실과 크로스토크는 스위치의 크기를 제한합니다. 설계 및 제조 공정의 개선이 필요합니다.
- 제어: 대규모 스위치 패브릭을 관리하려면 빠르고 확장 가능한 제어 평면이 필요합니다.
- 전력 소비: 정적 전력 소비를 줄입니다. 특히 포트 수가 많은 장치의 경우 그렇습니다.
- 제조 공정: 파장 선택 장치의 경우 광파도관 치수를 엄격하게 제어하는 것이 매우 중요합니다.
- 경합 해결: 광 버퍼가 없기 때문에 경합 처리가 어려워집니다.
이러한 과제를 해결하기 위한 향후 연구 방향은 다음과 같습니다.
- 첨단 포장 기술
- III-V와 실리콘의 하이브리드/이종 집적
- 머신러닝 기반 제어 알고리즘
- 확장성을 개선한 새로운 스위치 아키텍처
- 새로운 컴퓨팅 패러다임(신경형, 양자)과의 통합
결론
광 스위치 패브릭은 차세대 데이터 센터 네트워크의 대역폭, 대기 시간 및 에너지 효율성 과제에 대한 솔루션을 제공합니다. 실리콘 기반 광전자 기술은 저비용, 대규모 통합을 위한 경로를 제공하는 반면, III-V 재료는 고성능 능동 장치를 가능하게 합니다. 두 플랫폼의 장점을 결합한 하이브리드 접근 방식은 큰 잠재력을 보여줍니다.
제조 및 통합 기술이 성숙해짐에 따라, 우리는 광 스위치가 데이터 센터 아키텍처에서 점점 더 중요한 역할을 할 것으로 예상할 수 있습니다. 이를 통해 인공 지능 및 과학적 컴퓨팅과 같은 데이터 집약적 애플리케이션이 발전하는 동시에 비용과 에너지 소비가 감소할 것입니다. 광 스위치에 대한 지속적인 연구 및 개발은 미래 컴퓨팅 시스템의 상호 연결 요구 사항을 충족하는 데 중요합니다.