未來的數據中心將如芯片大小

要擴大數據中心的規模同時降低其成本和能耗，大幅度提高這些數據中心的計算、存儲和聯網密度才是硬道理。為此，美國加州大學聖地亞哥分校雅各布工程學院的研究人員提出了一種全新的設計方案——“芯片上的機櫃（racks-on-chip）”。按照他們在《科學》雜志上的描述，未來的數據中心將“進化”成芯片大小，包含有多個分布式服務器的機櫃以及機櫃頂端的網絡交換機都將被集成到一枚芯片中（見下圖）。

為了將數據中心縮減到芯片大小，需要設計新的數據中心網絡。電氣與計算機工程系主任沙雅·費恩曼和聯網系統中心研究員喬治·波特的方案是：這些集成的“芯片上的機櫃”將同時與光電路交換（支持大流量數據）和電子包交換（支持高優先級數據流）進行內外聯網，來“指揮數據中心的流量”。

光網絡可以低成本、低能耗地提供高帶寬，但並不直接適用於支持數據中心網絡的工作負荷。“基於‘芯片上的機櫃’的下一代數據中心的設計，需要同時支持電路和包交換。”兩位研究人員表示，在這種設計中，每個處理器都必須有一個收發器，能夠將處理器核心中的電信號與通過光纖電纜發送的光子相交換，這就要求它們的尺寸足夠小，才能集成到“芯片上的機櫃”中。

他們同時指出，盡管納米光子學和硅光子學最近獲得了很多新進展，但是，“在硅芯片上有效地產生光仍處於起步階段”，他們“可能還無法解決阻礙間接帶隙半導體有效產生光的根本問題”。

而在硬件方面，要實現一個具有高度可擴展性、能夠支持多個處理器核心以維持數據中心運轉的光學電路架構，還面臨諸多障礙。一個可能的解決方案是利用非線性超材料（考慮到天然材料中的光子傳輸太困難），這類材料原則上是節能的。

“一旦這種光網絡技術被集成到電子處理器中，如同‘芯片上的機櫃’設計那樣，”波特和費恩曼在論文中寫道，“那麼芯片的數量就可以根據未來的數據中心的需求來擴展。”

至於這一前景有多遙遠？波特的回答很現實：“我們為尖端光子設備在數據中心網絡中的應用潛力感到興奮，但要確定這些設備擁有什麼樣的能力，然后與物理學以及工程師們合作，實際構建和集成它們，這是一個長達十年的過程。”