什么是光开关？

什么是光开关？

2025/06/18

光开关

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用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因

什么是光开关？

光开关是一种可以切换光信号的目的地而不将其转换为电信号的设备。目前，在数据中心网络中，当切换光信号传输的数据去向时，首先通过光模块将光信号转换为电信号，再通过电交换机进行去向切换，最后通过光模块将电信号转换为光信号。由于生成式人工智能的普及，流通的数据量呈爆炸式增长，将电气开关转换为光开关将带来巨大的好处，例如加快大容量数据通信的速度和提高能源效率。

什么是光开关

光开关概述

光开关是一种切换光信号去向的设备，通常需要转换为电信号，而不需要将其转换为电信号。在数据中心等处通信的数据被分成被称为小数据包的固定单位并被传输，并且在中继点，需要进行数据包交换处理来分配每个数据包的目的地，因此目前使用被称为电气交换机的电子设备。然而，当在一定距离内传输大量数据时，会使用光信号。因此，目前为了改变数据的目的地，需要先将光信号转换为电信号，这会消耗过多的功率。

因此，如果能够原样改变光信号的路由，就可以避免这种过多的功耗。用于此目的的设备是光开关，其功能是切换光信号所采取的路径。

实际应用的挑战

生成式人工智能的传播导致数据通信瓶颈

　随着生成式人工智能的快速普及，当前数据通信中不可避免的两个瓶颈成为人们关注的焦点。一是I/O（输入/输出）瓶颈。这是 I/O 带宽由于电气特性而受到限制的问题。另一个是交换机瓶颈。为了增加I/O带宽，电气开关电路的数量必须增加I/O带宽的平方。

　为了提高生成式人工智能的性能，需要在数据中心内高速交换大量数据。目前，我们忽略电费，增加电气开关的数量，并使用大量数据进行并行计算。因此，数据中心的耗电量正在增加到一个上限。

　关于消除与数据通信相关的两个瓶颈的方法的研究已经在进行中。首先，光电共封装消除了I/O瓶颈，光开关消除了开关瓶颈。

解决数据通信问题的光开关

　光开关已经在谷歌的数据中心中使用。通过用光交换机替换部分电气交换机，我们将总数据容量提高了五倍，将网络功耗降低了 40%，并改善了数据延迟。光开关不依赖于信号格式，不仅减少了扩容的初期投资，而且大大提高了可维护性。使用光开关的好处在很多方面都是巨大的，而不仅仅是在能源和数据容量方面。

与电交换机相比，光交换机具有显着更低的功耗和更低的延迟。如果交换机容量为100T/秒，光交换机的功耗约为电交换机的1/100。此外，与电气开关不同，不需要进行数据包处理来从信号中读取目的地，因此一旦确定路线，数据就可以以光速传输。唯一的问题是光开关本身无法执行必要的路由控制。这是因为，与电交换机的分组交换方法相比，光交换机使用物理连接源和目的地并占用线路的电路交换方法。为了利用光开关，除了开发器件之外，还需要开发新的控制机制，AIST也在致力于这个问题。

光电融合与光开关

　针对上述电气开关和处理器的I/O瓶颈，可以通过尽可能缩短电气连接距离来节省电力。为此，人们正在研究和开发光电融合技术，以将光收发器小型化，并将其放置在电气开关和处理器附近，以创建共封装光学器件（CPO）。由于新一代人工智能和其他技术的进步，GPU变得越来越大，无法容纳在单个芯片上，因此处理分布在多个芯片上并以大容量相互连接。未来，人们认为，通过利用光电融合技术将这些多个芯片进行光学连接，并进一步集成用于切换连接的集成光开关，可以实现更大规模、高性能的AI服务器。

AIST 的举措和前景

进入研发成果利用步骤

　AIST 是最早将光开关视为下一代网络关键器件的公司之一，并一直在使用硅光子学进行集成光开关的研究和开发。因此，我们支持NTT（日本电报电话公司）宣布的IOWN概念的方向，并正在继续相关研究和开发，以实现使用光开关的光通信网络。

　例如，我们正在与相关公司和政府机构合作进行研究，例如向外部提供AIST“采用世界最先进的300mm晶圆工艺的硅光子制造技术”的联合体活动、以硅光子为平台的异种材料接合和集成技术的开发、光电共封装的技术开发以及大规模硅光子光开关的开发等。

　一旦将光通信网络和计算相结合，同时像使用光交换机一样处理数据的技术得到完善，就可以动态优化整个数字基础设施。例如，网络的各个组成部分，从终端到云端，都可以看作是一台通过光通信网络连接起来的巨型计算机，整个系统可以得到优化和利用。它有潜力发展成这样一个梦幻般的系统。

　目前，我们正在接近一个重大转折点，可以被认为是光开关实际应用的开始。产业技术研究院将继续推进自身的研究开发，通过与各公司的合作研究开发，致力于实现大容量、低功耗的光通信网络和使用光开关的计算。如果您对光开关相关技术感兴趣，请联系我们。