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淡化数据中心能量负荷

加州大学圣地亚哥分校工程师获得ARPA拨款,通过光电技术提高效率

设置验证概念数据中心光交换机网络。

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的电气工程师和计算机科学家是全球努力减少数据中心使用的能源的前线。潜在影响是巨大的:美国政府估计,数据中心目前消耗的电力超过美国电力的2.5%。由于数据流量的预期增长,预计这一数字将在大约八年内翻一番。

UC San Diego Jacobs工程学院已被美国高级研究项目代理 - 能源(ARPA-E)和加州能源委员会总额为750万美元,以推进全国范围内的努力,以便将数据中心能源效率分配下一年通过部署新的光子灯基于网络拓扑。

特别是,加州大学圣地亚哥分校团队致力于开发解决方案,使数据中心内的数千台计算机服务器能够通过先进的基于光和激光的网络相互通信,这些网络将现有的电子交换机替换为ARPA-E计划中开发的光交换机。

“The photonic devices we’re developing aren’t actually used within the servers per se: instead, the devices connect the servers within the datacenter network using a more efficient optical network,” said George Papen, a professor of electrical and computer engineering at UC San Diego and co-principal investigator on the project.

“通过消除网络中的瓶颈,占据数据中心大部分电源的计算机服务器运行效率更高。我们的项目得到了ARPA-E的支持,目的是通过将网络转换为没有这些瓶颈的高速互连,使服务器的能效加倍,”加州大学圣地亚哥分校计算机科学教授兼联合首席研究员乔治·波特说。

什么是光学开关?

那么如何如何通过今天传递信息和计算命令的数据?他们使用称为电气包切换的技术,其中消息被分解为较小的组或数据包。这些数据数据包被转换为电信号并通过电缆发送到网络交换机,在那里它们被路由到所需的位置并将其拼合到原始消息中。网络交换机是具有有线连接的端口的物理,电气设备,可引导来自许多机器的数据流。

与电子开关不同,光开关不受电子设备的限制来传输数据的束缚。相反,光开关从输入端口的直接“光路”连接到输出端口。由于在每个开关时不需要光学和电气数据之间的转换,因此光学开关没有现有网络交换机具有延迟或电子逻辑问题问题,并且需要更少的路由数据的电源。

使用光网络而不是电气网络可以产生更高效的网络,每个服务器都具有更大的数据速率。这可以提高服务器的能量效率,它消耗了数据中心中的大部分能量。该项目的一个目标是证明这种光网络的成本可以低于添加在现有电网上获得相同数据速率所需的附加半导体芯片的成本。

“It would be lower cost in part because you’re using less energy, but also in part because if you wanted to build a very high speed network using existing commercial technology, the cost of adding additional chips to build bigger switches increases dramatically,” said Porter. “It’s not a linear relationship of double-the-speed for double-the-money; you can think of it almost like double the speed for quadruple the cost. On the other hand, optics, at these very high speeds, follows a more linear cost relationship.”

开发概念证明

在第一阶段Lightwave节能数据中心(LEED)项目在里面ARPA-E加入计划在2017-2019年间,Papen、Porter和加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)的同事、电气与计算机工程系教授乔·福特(Joe Ford)和计算机科学与工程系教授亚历克斯·斯诺伦(Alex Snoren)开发了实现这种规模的光交换所需的光子技术和网络架构。设计新型光开关的电气工程师和开发该协议以使其在数据中心规模上工作的计算机科学家之间的合作是关键。

他们的成功取决于加州大学圣地亚哥分校校友马克斯·梅勒特(Max Mellette)提出的一种新型光开关概念,他是spinout公司的联合创始人兼首席执行官infocus网络.而不是这一点完整的横杆以前使用的体系结构允许数据中心中的任何节点与任何其他节点通信,他的想法是创建一个连接更有限的交换机,从而实现更快的速度。

关键的洞察是开发一种网络协议,使这种速度更快但连接较少的体系结构能够以一种仍能提供所需性能的方式进行通信。通过与波特和斯诺伦领导的计算机科学家密切合作,该团队实现了这一目标。

到第1阶段结束时,这种新的光交换机已投入使用,能够在测试台环境中运行应用程序和接收数据。现在处于第2阶段,该团队正在与Sandia国家实验室的合作者合作,以扩展该体系结构,使其能够使用更多的数据和节点。第2阶段的目标是一个真实的试验台演示,即光网络体系结构为最终用户提供了重要的价值。

一个杂音的历史

加州大学圣地亚哥分校的这个团队被选为Enlitened项目的一个很好的理由是:十多年前,博士后波特(postdoc Porter)就是在这里加入了一个研究团队,该团队也包括Papen,该团队组装并演示了第一个使用光交换网络的数据中心试验台。这个描述这项工作的论文被引用1000多次。

从那时起,波特、帕本、福特、斯诺伦和同事们在电气工程和计算机科学部门以及网络系统中心他们密切合作,进一步开发和完善这项技术,并努力使其成为商业上可行的现实。

“我们是第一个显示我们可以用光学切换网络为数据中心构建测试平台的Test Bed,”Porter表示。“Papen和我一直在一周多次满足10年,监督学生在一起,并在这个光学数据中心概念上工作了十年;这是当计算机科学家和电气工程师紧密合作时发生的事情的真实例子。“

虽然他们的光学数据中心仍处于概念验证阶段,但研究人员一致认为,总有一天,增加越来越多的半导体芯片以提高速度的成本将不再具有成本竞争力,抛开能源问题不谈。到那时,光学系统将变得更加吸引人。很难确切知道这将是什么时候,但研究人员预测最快可能是五年后,而且可能在10年内。

“尽管如此,有很多工作要做能够验证,确实是我们不能不断扩展筹码,我们应该首先应用光学切换的应用程序?Papen说,这将取得重大努力解决。“研究人员正在与国家实验室和私营公司合作,以测试各种实时应用的光学开关,以帮助回答这个问题。

这个光学数据中心项目等难度,未来的工作是创新生态系统中的角色学术研究机构的完美典范。

“这是解决的一个非常艰难的问题,难题需要很长时间,”Papen说。“能够投入到这一点,并与来自整个工程学学校的教师和学生合作,这是使这种类型的变革开发成为可能的。”


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