Google teilt: Der nächste Schritt in der optischen Schaltung

In diesem Artikel diskutiert Google die Bauteiltechnologien für zukünftige optische Schaltkreisschalter, wobei der Schwerpunkt auf Datencenternetzwerken und maschinellen Lernsupercomputern liegt. Bauteilparameter wie Einfügedämpfung, Übersprechen, Anzahl der Ports, Rekonfigurationszeit und Polarisationsempfindlichkeit beeinflussen die Leistung und Zuverlässigkeit des gesamten Systems.

Einführung

Großskalige Systeme verlassen sich auf Netzwerke, um Informationen über Schalter von der Quelle zum Ziel zu übertragen. Derzeit sind die meisten großen Datensysteme um elektrische Paketvermittlungsschalter (EPS) und eine feste Clos-Topologie aufgebaut. Obwohl diese Netzwerke beliebige Kommunikationsmuster unterstützen können, ist ihre Skalierbarkeit bei wichtigen Systemkennzahlen wie Kosten, Latenz und Rekonfigurierbarkeit nicht ideal. Genau diese bekannten Skalierbarkeitsbeschränkungen haben frühere Forschungsarbeiten dazu veranlasst, optische Schaltkreisschalter (OCS) zu untersuchen, um das Netzwerk dynamisch anzupassen und so die erforderlichen Kommunikationsmuster zu erfüllen.

Diese frühen Arbeiten haben die tatsächliche Implementierung von optischen Schaltkreisschaltern in großen Datencenternetzwerken und maschinellen Lernsystemen vorangetrieben. Diese optischen Schalter sind zu einer Schlüsseltechnologie für die Realisierung von leistungsstarken, kostengünstigen und rekonfigurierbaren Netzwerken geworden. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die bestehenden kommerziellen optischen Schaltkreisschalter und diskutiert die möglichen zukünftigen Entwicklungen der Bauteiltechnologien.

Hintergrund

Digitale elektrische Paketvermittlungsschalter stellen Pakete in einem gemeinsamen Speicher in eine Warteschlange und treffen basierend auf den Informationen im Paketkopf lokale Routingentscheidungen, um die Pakete an den entsprechenden Ausgangsport weiterzuleiten. End-to-End-Verbindungen bestehen normalerweise aus mehrstufigen Pfaden über mehrere Schalter. Die lokalen Routingentscheidungen werden für jedes Paket separat getroffen, was dazu führen kann, dass Pakete von derselben Quelle an dasselbe Ziel unterschiedliche Übertragungsverzögerungen erfahren.

Optische Schaltkreisschalter stellen eine end-to-end optische Verbindung zwischen Eingangs- und Ausgangsport her. Die in den Schalter eintretenden Pakete bleiben im optischen Bereich und werden entlang eines vordefinierten Pfades an den Ausgangsport geroutet, anstatt lokale Routingentscheidungen basierend auf dem Paketkopf zu treffen. Dadurch erfahren alle Pakete die gleiche Übertragungsverzögerung, was für synchronisierte maschinelle Lernlasten ideal ist. Darüber hinaus sind viele optische Schaltkreisschalter geschwindigkeitsunabhängig, sodass ein einziger Schalter mehrere Generationen von optischen Transceivern mit unterschiedlichen Datenraten unterstützen kann.

Diese vereinfachten Eigenschaften erfordern eine zentrale Steuerung der optischen Schalter. Bei der Implementierung von großen OCS-Systemen kann die Entwicklung der Steuerungsebene sogar größer sein als die Entwicklung der OCS-Hardware selbst.

Zukünftige optische Schalttechnologien

Tabelle I zeigt vier wichtige Leistungskennzahlen für verschiedene Bauteiltechnologien, die in kommerziellen und Forschungs-OCS eingesetzt werden. Diese Kennzahlen hängen davon ab, ob die Schaltfunktion räumlich oder wellenlängenabhängig implementiert wird und ob die Schaltfunktion in einem dreidimensionalen Freiraum oder in einer zweidimensionalen Ebene realisiert wird.

Tabelle I: Wichtige Leistungskennzahlen für kommerzielle und Forschungs-OCS.

Alle Bauteile, die in bestehenden kommerziellen OCS eingesetzt werden, basieren auf maßgeschneiderten Hardware- und Steuerungslösungen. Derzeit gibt es keine einzelne Schaltbauteiltechnologie, die in allen Anwendungsfällen und für alle Leistungskennzahlen optimal ist. Derzeit konzentrieren sich optische Schalter, die für bestehende Großsysteme entwickelt werden, hauptsächlich auf eine große Anzahl von Ports sowie eine geringe Einfügedämpfung und Rücklaufdämpfung.

Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für eine Bauteiltechnologie, die derzeit in MEMS-basierten Schaltern eingesetzt wird. MEMS-Spiegel werden mit einem tiefen reaktiven Ionenätzverfahren hergestellt, das es ermöglicht, Mikrospiegel mit großem Durchmesser, glatter Oberfläche und hoher Reflektivität herzustellen. Hochspannungssignale steuern vier Kammantriebe um jeden Spiegel herum. Diese Antriebe ermöglichen es, den Spiegel um zwei Achsen zu drehen. Zwei Gruppen solcher Bauteile können verwendet werden, um einen dreidimensionalen optischen Pfad von jedem Eingangsport zu jedem Ausgangsport zu erstellen.

Abbildung 1: Detailansicht eines MEMS-Aktuators mit Spiegel (pseudofarbig dargestellt) und vier Kammantrieben zur Drehung um zwei Achsen.

Optische Schaltkreisschalter, die auf maßgeschneiderten MEMS-Bauteilen wie in Abbildung 1 basieren, bieten in großen Datencenternetzwerken erhebliche Kostenvorteile und verbessern die Verfügbarkeit und Leistung des Systems, wenn sie in TPU-Superknoten (superpods) eingesetzt werden.

Neue Bauteile für die dreidimensionale Freiraumschaltung umfassen (nicht mechanische) zweidimensionale digitale Flüssigkristall- (DLC) -Pixelarrays. Diese Bauteile nutzen die Polarisationsrichtung, um die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls digital zu steuern. Ein Schalter mit 2^N Ports kann durch eine gefaltete Kaskadenstruktur aus N binären Kaskadenelementen aufgebaut werden, wie in Abbildung 2 gezeigt.

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Aufbaus eines dreidimensionalen Freiraumoptikschalters mit Flüssigkristall-Pixelarray.

Zweidimensionale planare Schaltbauteile

Im Gegensatz zu dreidimensionalen Freiraumschaltern basieren die meisten in der Forschung befindlichen zweidimensionalen Bauteile auf einer Kreuzmatrixstruktur mit N Wellenleitern in jeder Richtung. An jedem der N² Wellenleiterkreuzungen wird ein binäres Schaltbauteil platziert, um die Ausbreitungsrichtung des Lichts an dieser Kreuzung zu steuern.

Viele in der Forschung befindliche zweidimensionale optische Schalter verwenden eine Form der Siliziumphotonik (SiP), die so konzipiert ist, dass sie mit dem Standard-CMOS-Prozess kompatibel ist. Es wurden umfangreiche Forschungsarbeiten an diesen Bauteilen durchgeführt, und es wurden verschiedene Schaltantriebsmechanismen vorgestellt. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass planare optische Schalter auf der Grundlage von SiP möglicherweise eine geringere Kosten pro Port, eine schnellere Schaltgeschwindigkeit, eine einfachere Integration in elektronische Systeme und aufgrund der niedrigeren Antriebsspannung im Vergleich zu den meisten kommerziellen dreidimensionalen Freiraumschaltern eine höhere Zuverlässigkeit aufweisen könnten.

Bis jetzt wurde dieser Vorteil noch nicht in Serienproduktionssystemen umgesetzt. Die derzeitigen Herausforderungen umfassen die hohe Dämpfung bei der Faserkopplung und dem Schaltprozess sowie die begrenzte Anzahl von Ports. Einige dieser Nachteile (z. B. Einfügedämpfung) gelten fast für alle zweidimensionalen Schaltarchitekturen.

1) Interferenzbasierte Bauteile: Zweidimensionale planare Schalter auf der Grundlage von Interferenzbauteilen wurden bereits ausführlich untersucht. Zu diesen Bauteilen gehören Mach-Zehnder-Interferometer, die durch einmalige Interferenz beim Durchgang das Schaltzustand erzeugen, und Mikroringresonatoren, die durch mehrfache Interferenz im Ringresonator den Schaltzustand erzeugen. Insgesamt können resonatorbasierte Schaltbauteile eine niedrigere Antriebsspannung aufweisen, haben jedoch eine schmalere Bandbreite und sind schwieriger zu steuern.

Der Antriebsmechanismus beider Bauteiltypen basiert auf der Änderung des Brechungsindex, um konstruktive oder destruktive Interferenz zu erzeugen. Übliche Methoden umfassen die thermische Abstimmung sowie die Nutzung des elektrooptischen Effekts, bei dem der Brechungsindex sich mit der angelegten elektrischen Feld ändert. Die induzierte Brechungsindexänderung ist wellenlängenabhängig und beeinflusst die verfügbare Bandbreite des Bauteils. Die thermische Abstimmung ist langsam (im Mikrosekundenbereich im Vergleich zum Nanosekundenbereich) und erfordert eine feine Steuerung, um thermisches Übersprechen zwischen den Bauteilen zu vermeiden. Die Herausforderungen, denen Schalter auf der Grundlage dieser beiden Bauteiltypen gegenüberstehen, umfassen die Reduzierung der Gesamtverluste, die Notwendigkeit einer polarisationsunabhängigen Gestaltung sowie das zunehmende Signalu Übersprechen mit zunehmender Anzahl der Kaskadenbauteile und der Anzahl der Ports des Schalters.

2) Heterogene integrierte Bauteile: Ein neuartiges Anwendungsgebiet für optische Schalter ist die photonische Quantenrechnung. Optische Schalter werden verwendet, um die anfänglichen Rechenressourcen zu generieren und Feedforward-Operationen zwischen den verschiedenen Phasen der Quantenrechnung auszuführen. Diese Abhängigkeit bedeutet, dass die Gesamtrechnungsgeschwindigkeit von der Schaltgeschwindigkeit der optischen Schaltkreisschalter bestimmt wird. Die photonische Quantenrechnung stellt auch sehr strenge Anforderungen an die Verluste und das Übersprechen.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, werden derzeit hochgeschwindige optische Schalter auf der Grundlage von heterogener Integration untersucht. Diese Bauteile integrieren dünne Filme aus Materialien mit starkem elektrooptischem Effekt in die Siliziumphotonik eines Fabrikationsprozesses. Diese Integration ermöglicht es, optische Schalter mit niedriger Antriebsspannung und hoher Geschwindigkeit zu realisieren. Auch andere heterogene Integrationsprozesse auf der Grundlage des Mikrotransferdruckverfahrens werden entwickelt. Alle Herausforderungen, die für interferenzbasierte Bauteile gelten, treffen auch auf diese Schalter zu, und es muss zusätzlich das Problem der Realisierung eines praktikablen heterogenen Integrationsprozesses gelöst werden.

3) Siliziumphotonische MEMS-Bauteile: MEMS-Bauteile können auch in zweidimensionalen siliziumphotonischen Schaltern eingesetzt werden. Abbildung 3 zeigt das Layout eines solchen Bauteils. Die Eingangs- und Ausgangsfasern werden an eine zweidimensionale Kreuzmatrixstruktur aus Wellenleitern angeschlossen. An jedem Wellenleiterkreuzungspunkt wird ein MEMS-angetriebener Koppler platziert, um das Licht in eine der beiden Richtungen zu lenken. Anschließend wird dieses MEMS-photonische integrierte Schaltkreis (PIC) mit einem Steuer-CMOS-Chip integriert.

Abbildung 3: Layout eines in der Forschung befindlichen siliziumphotonischen MEMS-Schalters.

Im Vergleich zu analogen MEMS-Bauteilen, die in Freiraumschaltern eingesetzt werden, können binäre MEMS-Koppler bis zu 1000 Mal schneller schalten und haben bereits eine relativ große Anzahl von Ports gezeigt. Die Schaltgeschwindigkeit eines in der Forschung befindlichen Bauteils ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Herausforderungen, denen diese Bauteile gegenüberstehen, umfassen die Realisierung einer verlustarmen Verkapselung für die 2N Faser-Wellenleiter-Verbindungen, was auch für die meisten zweidimensionalen siliziumphotonischen Schalter gilt.

Abbildung 4: Anstiegs- und Abfallzeiten eines siliziumphotonischen MEMS-Schalters.

4) Wellenlängenschaltbauteile: Die Wellenlängenschaltung verwendet eine Kombination aus durchstimmbaren Lasern, passiven Array-Wellenleiterbauteilen (AWG) und durchstimmbaren Filtern. Im Vergleich zu anderen Bauteiltechnologien sind durchstimmbare Laser normalerweise teurer und verbrauchen mehr Energie, während passive optische Bauteile möglicherweise eine höhere Dämpfung aufweisen und in einem festen Wellenlängenbereich arbeiten. Diese Eigenschaften beschränken die Anzahl der Ports und die verfügbare Bandbreite pro Port.

Schlussfolgerung

Mit der Kommerzialisierung der optischen Schaltkreisschaltertechnologie nimmt die Forschungstätigkeit um zukünftige optische Schaltbauteiltechnologien rapide zu. Mit der zunehmenden Verbreitung der Anwendungen von optischen Schaltern wird erwartet, dass einige der in der Forschung befindlichen Bauteiltechnologien in zukünftige Rechen- und Netzwerksysteme eingeführt und in der Massenproduktion eingesetzt werden.

Anlage: Ursprung von Googles OCS

Tatsächlich hat Google seit einigen Jahren heimlich seine Datencentren umgebaut und seine Netzwerkinfrastruktur durch eine radikale interne Methode ersetzt, was seit langem der Traum der Netzwerkgemeinde war.

Dieses Projekt heißt "Apollo-Projekt", und sein Kern besteht darin, Elektronen durch Licht zu ersetzen und herkömmliche Netzwerkvermittlungsschalter durch optische Schaltkreisschalter (OCS) zu ersetzen. Ende 2023 hat der Leiter des Google-Systems- und Dienstleistungsinfrastrukturteams in einem Interview mit einem ausländischen Medienunternehmen erklärt, warum dieses Projekt so wichtig ist.

Daten im "Licht" belassen

Bei der Kommunikation in Datencentern besteht eine grundlegende Herausforderung in der ineffizienten Übertragung, die auf der Tatsache beruht, dass es sich um eine Übertragung zwischen zwei Welten handelt. Die Datenverarbeitung erfolgt auf elektronischen Geräten, sodass die Informationen auf Serverebene im elektronischen Bereich gespeichert werden. Die Übertragung von Informationen im optischen Bereich (d. h. im Bereich der Optik