文章核心观点 - 谷歌通过其“阿波罗计划”在数据中心大规模部署光电路交换机，旨在用光路取代传统电分组交换，以显著降低成本、功耗和延迟，并提升网络性能与可重构性 [3][25][27] - 光电路交换技术是未来数据中心网络和机器学习超级计算机的关键发展方向，目前存在多种器件技术路径，各有优劣，尚未出现全面最优的单一方案 [3][7][9] - 谷歌的自研与定制化策略是OCS成功大规模部署的关键，涵盖了从MEMS反射镜、光环形器到收发器的全链条硬件，以及名为Orion的集中式软件控制平面 [32][33] 背景：电分组交换与光电路交换的对比 - **电分组交换**：基于电子芯片，数据包在共享内存中排队并逐包进行本地路由决策，导致传输时延可变且多跳路径效率较低，在成本、时延和可扩展性上存在限制 [3][5] - **光电路交换**：在输入与输出端口间建立端到端光路，数据始终在光域传输，时延固定且一致，对速率不敏感，同一交换机可跨多代光收发器使用，但需要复杂的集中式控制平面 [5] 现有商用与研发中的光交换器件技术 - **三维自由空间交换机（商用主流）**： - 基于MEMS反射镜的交换机端口数达384个，插入损耗低于3 dB，驱动电压低于200 V，切换时间为毫秒级 [8] - 基于压电驱动的交换机端口数达576个，插入损耗低于3 dB，驱动电压低于100 V [8] - 基于液晶的交换机端口数在64至512个之间，插入损耗低于3 dB，驱动电压低于10 V [8] - **二维平面波导交换机（研发阶段）**： - 硅光子技术交换机端口数32个，插入损耗5-10 dB，切换时间纳秒至微秒级，驱动电压≤5 V [8] - 异质集成技术交换机端口数2个（可扩展至64个），插入损耗低至0.13 dB，切换时间纳秒级，驱动电压3.1 V [8] - 硅光子MEMS交换机端口数240个，插入损耗低于9 dB，切换时间小时级，驱动电压低于50 V [8] - 波长交换技术端口数100个，插入损耗低于6 dB，切换时间纳秒级，无需驱动电压 [8] 谷歌“阿波罗计划”的具体实施与优势 - **核心硬件——定制MEMS OCS系统**： - 每个反射镜阵列包含176个定制微型反射镜，实际使用136个，可实现18,496种输入输出组合 [30] - 系统最大功耗108瓦，远低于同类电分组交换机的约3000瓦功耗 [30] - 过去几年已部署数千套OCS系统，被认为是全球规模最大的OCS应用 [31] - **全链条定制开发**： - 开发了定制的MEMS反射镜、光纤准直器、光芯及测试对准设备 [32] - 自研了定制光环形器，可将所需光纤数量减半 [32] - 共同设计了跨越40、100、200、400GbE四代速度的低成本、高能效波分复用收发器，以平衡插入损耗 [32] - **软件与控制平面**： - 扩展了名为Orion的软件定义网络层，以逻辑集中化的方式管理直接连接拓扑和实时流量工程 [33] OCS技术带来的系统级效益 - **成本与功耗**：相比EPS系统，OCS的资本支出成本下降高达70%，能耗显著降低 [37] - **升级灵活性与兼容性**：OCS对数据速率不敏感，不同代的收发器可在同一网络中运行，无需为升级速度而更换整个交换机或中断数据中心运营 [36][37] - **性能提升**：通过尽可能将数据保留在光域中传输，减少了电光转换次数，降低了通信延迟 [27][29] 面临的挑战与未来方向 - **重配置时间**：OCS的镜子重配置需要几秒钟，不如电分组交换灵活，谷歌通过利用数据中心内长期稳定的“超级块”间通信模式来减少重配置频率 [35] - **技术演进目标**：公司正致力于开发端口数量更多、插入损耗更低、重配置速度更快的OCS系统，并探索将光路重配置进一步下推至机架顶部级别的方法 [37]