利用光开关实现每秒 125 亿 Gbit 的数据传输

利用光开关实现每秒125亿吉比特的数据传输

2021/08/31

带光开关 每秒 125 亿吉比特 实现数据传输 致力于建设具有超高容量传输能力的下一代IT基础设施

在当今社会，照片、视频和音乐等一切内容每天都以“数据”的形式进行交换。随着智能手机的普及和通信网络的发展，日常生活中交换的数据量呈爆炸式增长我做到了。除此之外，数据流量问题当然数据处理所需的功耗快速增加从环境负担的角度来看，已成为一个重大问题。这次是AIST开发的“硅光子光开关”是1秒传输125亿Gbit海量数据不仅可以比电动开关节能10倍以上这是一秒钟可传输相当于 600,000 张蓝光光盘的数据的速度。数量足以满足下一代超级计算机和大型数据中心的需求，未来的发展将会很有趣。

超过摩尔定律的大量数据分布

　2021 年 6 月，AIST 宣布成功进行了一项使用“硅光子光开关”的实验，每秒可传输 125 亿 Gbit 的数据，相当于 60 万张蓝光光盘。 (6/4 新闻稿文章）

　如今，世界各地的许多人在日常生活中通过电脑、智能手机等通过互联网获取各种信息已经变得司空见惯。然而，这导致了世界各地网络中流动的数据量爆炸性增长，并伴随着功耗的急剧上升。不仅从数据流量问题，而且从环境影响的角度来看，需要开发能够应对这些增长的技术。此外，近年来，随着人工智能的实施和5G移动网络的普及，这种趋势不但没有改变，反而在加速。

　到目前为止，数据流和功耗的增加是通过被称为“摩尔定律”的技术进步来实现和控制的，该技术几乎每隔一到两年就将半导体芯片的集成度提高一倍，并在以云服务和大数据分析为代表的计算方面保持着性能的提高和劳动力的节省。然而，在未来，预计数据流量和功耗将迅速增加，这无法通过半导体性能的进步来覆盖，因此很难使计算比现在更加高效和高效，并保持节能。技术创新有望取代这一点。

　其中之一是在网络等基础设施上运行的计算技术的进步。为了获取和处理大量的信息，一个重要的问题是如何高效、无损失地交换信息传输所必需的数据，作为处理大量数据的基础设施，光通信网络的建设和光开关的实际应用值得期待。

什么是“光开关”？

　通过设备性能的提高以及与网络等基础设施相关的技术进步，计算技术的便利性得到了提高。例如，当前运行的数据中心内的网络是使用称为电气交换机的数据交换设备来操作的。然而，当预计未来数据流量和功耗将迅速增加时，半导体的集成度很难进一步提高，设备的性能很难大幅提高，而使用通用电子路由器和电气交换机的网络系统已接近容量增加的极限。

　一段时间以来，AIST 一直在研究和开发新的开关技术，以部分取代电气开关，并使用该技术构建网络。其中一种技术是光通信网络中使用的“光开关”。光开关是一种无需将光信号转换为电信号即可对特定信号进行分支或切换其目的地的设备。与电气开关相比，它除了表现出优越的能源效率外，还具有高可靠性和批量生产能力，作为克服光网络和计算等领域电气开关缺点的重要器件，长期以来一直受到人们的关注。

带爪配置的光开关

　在利用光开关时，多台交换机堆叠并多级连接的“爪式配置”是构建实现超高速数据传输的大规模光网络不可或缺的（关键）。近年来，由于云计算的进步，数据处理趋于集中在大型数据中心。因此，从提高超级计算机和数据中心的运行效率的角度来看，人们期待使用可以配置为爪式配置的光开关。

　下一代超级计算机和未来数据中心的规模将需要超过10万个端口（路由）。光开关是满足这些要求的完美设备。针对这样的社会需求，2016年AIST利用尖端的大规模光集成技术，成功开发了当时世界上最大的32×32端口光交换机。 Matsumoto 进行的实验中也使用了这种硅光子 32 x 32 端口光开关。

　“我的老板告诉我，‘让我们通过使用这种出色的光开关技术来争取世界上最好的结果！’”这就是开始这项实验的动力，”松本说。这个行业（光纤通信）对世界纪录有着强烈的痴迷，在国际会议上进行录音，这点燃了松本茂自己的研究精神。

　前面提到的100,000个端口只需通过9级连接32 x 32端口光开关即可实现。这样的话，可以建立131,072个端口。如果简单地通过分层光开关就可以实现性能，为什么还没有实现呢？松本解释如下。

　光开关的问题在于，随着规模的增大，端口之间的“串扰”效应也会增加。因此，尚不清楚使用光开关在爪式配置中可以实现多少端口和能源效率。这是光开关投入实际应用的障碍。''

　串扰是传输信号从其他端口（路由）泄漏，导致信号劣化。只要这个问题存在，就不是简单地连接大量光开关就能解决的。松本开始了稳定的验证实验，以便详细分析端口之间串扰的影响，这是最大限度地发挥光开关性能的障碍。

每秒125亿吉比特的数据传输实验成功

　在验证实验中，我们通过32 x 32端口光开关网络将准备好的光信号传输9次，创建了与9级传输相同的状态。经过反复实验，可在短短一秒内传输总容量达125亿Gbit的海量数据，并且比电气开关节能10倍以上。这是一个完全可以应用到下一代超级计算机和大型数据中心的价值。 “当我们在媒体上宣布我们的成果相当于一秒钟传输 600,000 张蓝光光盘数据的能力时，引起了很多关注，”松本微笑着说道。

　实验获得的数字如此令人震惊，以至于松本提出了新的问题，比如“如何才能达到这样的记录？”和“如果性能有极限，它在哪里？”在研究人员的好奇心和天生的完美主义的驱使下，松本决定追寻这个问题。

“我们决定利用统计分析方法，从数学公式和模拟方面仔细研究光学串扰的影响。结果，我们发现这些结果几乎与之前的实验结果相符。”

　这一验证意义重大。松本设计了一种通过统计分析和准确预测光开关端口之间发生的串扰来估计串扰影响的方法，误差较小。松本作为研究人员验证结果的认真态度使他建立了预测良好信号质量标准值的“一般理论”。

　这一迄今为止尚未有人能够实现的成就使得在使用光交换机设计和运营网络时能够高精度地预测可预期实现的端口数量和传输容量。这可以说是光开关迈向实际应用的一大步。

　松本谈到这一结果时表示，“AIST 的综合能力得到了充分展示。”

　AIST的所有研究人员都具有很强的团结意识，我喜欢他们可以齐心协力攻克尖端研究。而且，因为每个人都有很高的专业意识，所以他们永远不会变得“和睦”。因此，他们也能够对同事发号施令和检查。这很艰难。即使在这个实验过程中，也有人对我们所获取的数据提出了很多疑问和意见，我们必须多次重新获取和验证数据才能说服他们，但我认为这就是为什么我们能够强化我们主题的核心并取得我们如此自豪的结果。”

我想通过与公司合作实现梦想的世界

　现阶段，还只是一个“成功的实验”，但其价值却是巨大的。因为我们完全可以想象，当采用光开关的网络投入实际应用，高可靠、大容量、低时延的系统在社会上广泛应用时，将会产生怎样的影响。除了实际应用之外，一个“梦幻般的世界”可能会出现。

　虽然这项技术已经被证明可以用作下一代超级计算机和大型数据中心的基础设施，但考虑如何将其应用到这些以外的领域也很重要。最近，我们听到了很多5G、6G、边缘计算等关键词，看来这种技术甚至会出现在这样的下一代基础设施中也能使用的情况。''

　随着信息传输容量和质量的显着提高，人们有望在日常生活中实现现实的、低延迟的在线面对面交流。或许还可以接收到各种各样的信息，例如遥远地方的气氛和各种事件，就好像它们是现实一样。此外，在能源消耗方面，它有可能为消耗大量电力的加密货币和区块链的进一步发展做出贡献，在利用率方面，它有可能成为支持机器人、人工智能、物联网、大数据和超级智能社会世界的基础的技术。这样看来，光开关的可能性似乎是无限的，但松本警告说，要使其成为现实，仍有“许多障碍需要清除”。

　就像电气开关一样，为了在实际中使用，它需要演变成更加人性化的形式。 AIST已经在试验台上运行了硅光子开关，开关本身的可用性和性能已经达到了很高的水平。我们的挑战是从靠近用户和运营商的角度构建易于使用的系统和网络。由于 AIST 在这方面的经验很少，我们希望与公众内外的专家合作推进，并期待任何感兴趣的人的声音。

　松本正贺笑着说道。