减轻数据中心的能源负荷

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加州大学圣地亚哥分校的电气工程师和计算机科学家站在全球降低数据中心能耗的前沿。潜在的影响是巨大的:美国政府估计，数据中心目前消耗了美国2.5%以上的电力。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。

加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院团队获得了来自美国高级研究计划局-能源(ARPA-E)和加州能源委员会共计750万美元的资助，用于推进全国范围内的努力，通过部署新的基于光子的网络拓扑，在未来十年将数据中心的能源效率提高一倍。

特别是，加州大学圣地亚哥分校的团队专注于开发解决方案，使数据中心内的数千台计算机服务器能够通过先进的光和激光网络相互通信，这些网络将用ARPA-E项目开发的光交换机取代现有的电气交换机。

“我们正在开发的光子设备实际上并不用于服务器本身:相反，这些设备使用更高效的光网络连接数据中心网络中的服务器，”加州大学圣地亚哥分校电气和计算机工程教授、该项目的联合首席研究员乔治·帕彭(George Papen)说。

“通过消除网络中的瓶颈，占数据中心大部分电力的计算机服务器可以更有效地运行。我们的项目得到了ARPA-E的支持，旨在通过将网络转变为没有这些瓶颈的高速互连，将服务器的电源效率提高一倍，”加州大学圣地亚哥分校计算机科学教授、联合首席研究员乔治·波特(George Porter)说。

光开关是什么?

那么，这些数据中心网络是如何传递信息和计算命令的呢?他们使用一种被称为电子分组交换的技术，在这种技术中，信息被分解成更小的组或数据包。这些数据包被转换成电信号，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，并重新拼凑成原始信息。网络交换机是带有有线连接端口的物理电子设备，可以引导来自多台机器的数据流。

与电子开关不同，光开关不受电子设备传输数据的限制。相反，光开关从输入端口到输出端口直接进行“光路”连接。由于每个交换机都不需要光学和电气数据之间的转换，因此光学交换机不存在现有网络交换机所存在的延迟或电子阻塞问题，并且路由数据所需的功率更少。

使用光网络代替电力网络可以产生一个更有效的网络，每个服务器都有更大的数据速率。这可以提高服务器的能源效率，服务器消耗了数据中心的大部分能源。该项目的目标之一是证明这种光网络的成本可以降至低于在现有电力网络上获得相同数据速率所需的额外半导体芯片的成本。

波特说:“这将降低成本，部分原因是你使用的能源更少，但另一部分原因是，如果你想使用现有的商业技术建立一个非常高速的网络，增加额外的芯片来建造更大的交换机的成本将急剧增加。”“这并不是一种线性关系，即两倍的速度和两倍的金钱;你可以把它想象成速度的两倍，成本的四倍。另一方面，光学，在这些非常高的速度下，遵循一个更线性的成本关系。”

开发概念验证

在第一阶段光波节能数据中心(LEED)项目在ARPA-E教育计划2017-2019年，帕本、波特和加州大学圣地亚哥分校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 Snoeren)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。电气工程师(他们设计了一种新型光开关)和计算机科学家(他们开发了协议，使其能够在数据中心规模上工作)之间的合作是关键。

他们的成功取决于一种新型光开关的概念，由加州大学圣地亚哥分校的校友Max Mellette提出，他是一家衍生公司的联合创始人兼首席执行官富可视网络．而不是完整的横梁以前使用的架构允许数据中心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。

关键的见解是开发一种网络协议，使这种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。

在第一阶段结束时，这个新的光开关已经具备了功能，能够在测试台上运行应用程序并接收数据。现在在第二阶段，该团队正在与桑迪亚国家实验室的合作者合作，扩大架构，以处理更大量的数据和更多的节点。第二阶段的目标是一个实际的测试平台，演示光网络架构为最终用户提供了重要的价值。

光子学的传奇历史

加州大学圣地亚哥分校的这个团队被选中参加Enlitened项目是有原因的:十多年前，当时是博士后的波特是一个研究团队的一员，这个团队还包括帕本，他们组装并演示了第一个使用光交换网络的数据中心试验台。的描述这项工作的论文被引用了1000多次。

从那时起，波特，帕彭，福特，斯诺伦和电气工程和计算机科学系的同事们以及网络系统中心我们密切合作，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。

波特说:“我们是第一个证明我们可以为数据中心建立光学交换网络的试验台。”“10年来，我和帕本每周都要开会多次，一起指导学生，并为这个光学数据中心的概念工作了10年;这是一个计算机科学家和电气工程师密切合作的真实例子。”

虽然他们的光学数据中心仍处于概念验证阶段，但研究人员认为，撇开能源问题不谈，添加越来越多的半导体芯片来提高速度的成本将不再具有成本竞争力。到那时，光学系统将变得更有吸引力。很难知道确切的时间，但研究人员预测，最快在五年内，也有可能在10年内。

“尽管如此，要验证这一点还有很多工作要做，如果我们不能持续扩展芯片，我们应该首先将光学开关应用于哪些应用?这需要付出巨大努力才能解决。”研究人员正在与国家实验室和私人公司合作，在各种实际应用中测试光学开关，以帮助回答这个问题。

像这个光学数据中心项目这样困难的、面向未来的工作，是学术研究机构在创新生态系统中发挥作用的完美例子。

帕本说:“这是一个很难解决的问题，而困难的问题需要很长时间。”“能够投入时间，并与整个工程学院的教师和学生合作，是这种变革性发展成为可能的原因。”