数据的爆炸似增长
所有互联网活动每分钟都会创造出超过1820 TB的新数据，而这些新的数据信息都需要被存储、处理，并在世界各地的数据中心之间进行共享。如果没有数据中心，也就根本不会有云服务了。
在过去的10年里，互联网的规模已经增长了100倍。为了适应这一增长，我们不得不大幅增加数据中心的计算能力，使得计算能力增长1000倍。而为了在未来10年内继续满足互联网进一步发展的需求，我们还将需要在数据中心增加同样容量的计算能力。目前，没有人真正知道我们要如何才能真正实现对于未来数据处理需求的充分满足。
现如今，运营商们都从大局思考，展望通过大型数据中心来满足我们所需要的数据计算和处理能力。大型数据中心将更多地使用软件定义的基础设施，并充分利用开放式软件和硬件架构的优势。
与此同时，整个行业对于现今的数据中心架构规模化缩放的能力，以便能够充分满足我们的需求也相当关注。据亚马逊网络服务的副总裁兼工程师詹姆斯·汉密尔顿表示说，我们目前对于未来的数据中心已经亮起了“红色警报”。
网络：一场完美的风暴
有一种方法可以将数据中心简化成两个组成部分：服务器(计算功能)，其负责执行数据处理和存储;而网络则负责在一个大型数据中心互相连接大量的服务器(通常为超过100000台的服务器)。
摩尔定律依旧发挥作用，迫使微处理器制造商们每隔两年在其芯片上使晶体管数量翻一番。硅产品便宜的好处传播到了服务器，使得更高性能的机器和更大存储容量的产品的成本降低了数倍，而这一切均有助于推动云计算的增长。
不幸的是，由摩尔定律所带来的计算功能方面的优势并不完全适用于数据中心的网络部分。例如，网络的一个重要衡量指标：数据吞吐量则是由晶体管的速度决定的;而芯片上的物理引脚的数目，以及越来越多的新的光纤传输技术等等，其中没有哪一方面是由摩尔定律帮助的。
因此，虽然硅越来越便宜，网络成本却在上涨，而这种情况正在随着服务器的数量增长而进一步加剧。在面对未来可预期的规模化需求时，数据中心运营商们现在正把他们的关注焦点集中在网络组件上。
这个问题的很大一部分来源于规模较小，或基本的网络元素：电子CMOS交换机芯片。有超过10万台服务器的数据中心必须允许任意服务器之间的通信，这就需要一个巨大的网络，通过连接过一系列CMOS交换机芯片，被限制在24或32个端口。
由于这些端口的数量限制了CMOS交换机芯片，大量的网络交换节点和在数据中心的互连服务都仅仅只是在其他交换节点之间作为一种不可思议的蜘蛛网似的网络结构的中介物。这些交换节点及其之间的相互连接的成本是相当昂贵的，其极其耗能的必要性是由CMOS交换机芯片的小尺寸所直接决定的。
基本交换机元件的基数对一家指定规模大小的数据中心所需的交换节点的总数有直接的影响。基数的大小决定了各个交换机和数据中心的整体构造(成本和功率要求)，其限制了可扩展性的成本和复杂性。连接大量的服务器现在需要一个巨大的网络结构，而且，甚至更糟的是，所需中间交换节点和互连需求的增长大大超过了服务器数量的数倍。
不断上升的数据中心成本和功耗都是有据可查的限制因素，而且已然成为了相当严重的问题。然而，数据中心的基本可扩展性则备受这个完美风暴网络的质疑。运营商们如何才能够构建恰当规模的数据中心网络，以满足未来的数据处理需求呢?
重塑数据中心网络
为了打造未来的数据中心，我们需要显著简化网络。幸运的是，整个数据中心行业已经在向更简单、更高效的网络架构转移了。这方面的一个例子便是从经典的有着带宽瓶颈和单点故障的单根树拓扑结构转为折叠的基于Clos的拓扑结构，通过多路径网络提供冗余提高网络容量。
软件定义的网络使架构师们能够将应用程序、控制层和物理传输层单独分离，并将它们从专有的硬件移动到开发的软件。这种方法允许控制面板处理，将数据包引导至它们的目的地，在一组商品化的服务器执行处理，从而简化了交换机的设计。
这些都是相当重要的，并且能够从根本上逐步带来改进的例子。为了实现真正的可扩展性，我们需要更多这方面的例子。我们需要在网络的关键领域部署创新的、颠覆性的技术。
简化交换机
我们需要三种基本的功能来创建一个数据中心网络：数据包处理，交换功能和传输功能。今天，在通常情况下，数据包处理和交换功能以电子方式实现的，一般是采用传统的CMOS技术，而运输功能正朝着高带宽能力的光技术方向发展。
正如我们已经看到的，当前对于相对较小基数的交换机的依赖在CMOS的吞吐率和经济的大型数据中心网络的可扩展性造成了严重的制约。但是，简化工作中涉及到交换机的工作，则通过改变网络的结构使我们有了一个独特的机会，我们现在可以将光学技术引入到系统的领域中，这些系统以前已经不存在了。
电子和光学的这种“智能整合”将让每种技术都能够发挥其优势：CMOS的密度提升，并执行复杂的处理能力，同时彻底的提升光学的速度和传输能力。
通过大幅增加端口密度放宽对交换机大小规模的限制，能够从根本上扩展数据中心的容量，简化网络，并提高吞吐量。电子和光电子的结合将使数据包在光域切换，支持在电子领域所不可能的可扩展交换机的功能。
例如，高速数据信号通过单模光纤可以比铜导线传输远得多，而且其功率和成本也要低得多。这种能力给了网络设计者们在一个数据中心的多个位置分区的一个大型的光学交换机更多的选择。
此外，我们可以使用波分复用很容易地将多个信号混合在同一光纤，从而降低了电缆的复杂性和成本。
迈向更大基数的交换机
通过将先进的光学交换机的功能与CMOS的数据包处理能力进行整合，我们能够使基本交换机元件达到更大的基数。在大型、多级交换机采用模块化的方法简化了设计，使数据中心的连接更容易也更便宜。
这种整合光学交换机的解决方案将从摩尔定律在CMOS技术的规模缩放、以及在光学领域的研究进展中获益。这两大因素将有助于重新定向网络的成本轨迹，以更好地调整与计算功能，并改善数据中心运营商们的关注领域，即在关注如何提高数据中心容量的同时，保持对于成本和能耗的时刻审查。
在交换机将CMOS和光子的结合潜在的具有降低网络成本并将功率提升10倍的益处。将交换机的功能带入光学领域意味着其不仅能够随着基本元件的规模不断扩大，而且还可以通过模块化的交换机结构独自缩放规模。这种方法带来了前所未有的可扩展性的网络，并提供了下一代的数据中心所需的带宽容量。
然而，开发这项技术将采取一种系统级的多学科的方法，这就是为什么我们需要汇集世界一流的光电子、电子、软件、系统架构和半导体/光电子制造领域的专家的原因所在了。
数据中心网络是一个价值100亿美元的大市场，而且这一市场还在不断的增长。硅光子学是满足这个市场的的关键潜力，使得我们能够满足未来10年的互联网发展的数据处理需求的计算能力能够成千倍的增长。
关于作者
本文作者安德鲁·里克曼博士是Rockley Photonics公司的首席执行官，同时也是光子学领域的先驱。他于1988年创立了Bookham Technology公司，并使得该公司于2000年成功IPO。
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