未来的数据中心将如芯片大小

要扩大数据中心的规模同时降低其成本和能耗，大幅度提高这些数据中心的计算、存储和联网密度才是硬道理。为此，美国加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院的研究人员提出了一种全新的设计方案——“芯片上的机柜（racks-on-chip）”。按照他们在《科学》杂志上的描述，未来的数据中心将“进化”成芯片大小，包含有多个分布式服务器的机柜以及机柜顶端的网络交换机都将被集成到一枚芯片中。

为了将数据中心缩减到芯片大小，需要设计新的数据中心网络。电气与计算机工程系主任沙雅·费恩曼和联网系统中心研究员乔治·波特的方案是：这些集成的“芯片上的机柜”将同时与光电路交换（支持大流量数据）和电子包交换（支持高优先级数据流）进行内外联网，来“指挥数据中心的流量”。

光网络可以低成本、低能耗地提供高带宽，但并不直接适用于支持数据中心网络的工作负荷。“基于‘芯片上的机柜’的下一代数据中心的设计，需要同时支持电路和包交换。”两位研究人员表示，在这种设计中，每个处理器都必须有一个收发器，能够将处理器核心中的电信号与通过光纤电缆发送的光子相交换，这就要求它们的尺寸足够小，才能集成到“芯片上的机柜”中。

他们同时指出，尽管纳米光子学和硅光子学最近获得了很多新进展，但是，“在硅芯片上有效地产生光仍处于起步阶段”，他们“可能还无法解决阻碍间接带隙半导体有效产生光的根本问题”。

而在硬件方面，要实现一个具有高度可扩展性、能够支持多个处理器核心以维持数据中心运转的光学电路架构，还面临诸多障碍。一个可能的解决方案是利用非线性超材料（考虑到天然材料中的光子传输太困难），这类材料原则上是节能的。

“一旦这种光网络技术被集成到电子处理器中，如同‘芯片上的机柜’设计那样，”波特和费恩曼在论文中写道，“那么芯片的数量就可以根据未来的数据中心的需求来扩展。”

至于这一前景有多遥远？波特的回答很现实：“我们为尖端光子设备在数据中心网络中的应用潜力感到兴奋，但要确定这些设备拥有什么样的能力，然后与物理学以及工程师们合作，实际构建和集成它们，这是一个长达十年的过程。”