디지털 장치가 데이터를 상호 연결하고 전송할 수있는 방법

Sep 17, 2025|

데이터 센터 네트워크에서 광자의 배경

지난 10 년 동안 우리의 컴퓨팅 및 정보 인프라는 근본적인 변화를 겪었습니다. 데이터 수요의 기하 급수적 인 성장에는 정보 처리, 저장 및 전송 방식의 혁신적인 변화가 동반되었습니다. 인터넷 적용 범위 및 통신 대역폭은 유비쿼터스 셀룰러 모바일 네트워크에 의해 증폭되어 빠르게 확장되었습니다.

오늘날 가장 일반적인 정보 터미널 - 스마트 폰, 태블릿 및 랩톱 -은 모두 인터넷에 연결되어 있으며, 스트리밍 미디어에서 소셜 네트워크, 위성 매핑 및 클라우드 컴퓨팅에 이르기까지 정보 공유에 중점을 둔 다양한 네트워크 응용 프로그램이 산란합니다. "Google"이라는 용어는 대규모 데이터 세트를 신속하게 검색하고 최적의 결과를 반환하는 동사 동의어가되기 위해 회사의 정체성을 초월했습니다.

이러한 변환은 대규모 처리 및 저장 작업을 터미널에서보다 강력한 중앙 컴퓨팅 시설 - 데이터 센터로 이동 시켰습니다. 대규모 - 스케일 데이터 센터의 구성이 막 시작되었으며 중앙 배치의 비용 장점으로 인해 계속 될 것입니다.

현대 데이터 센터는 규모 및 장비 구성이 엄청나게 다릅니다. 높은 - 성능 컴퓨팅 시스템은 가장 빠르고 가장 강력한 장비를 사용하는 반면 엔터프라이즈 개인 데이터 센터는 다양한 - 성능 장치의 다양한 조합을 사용합니다. 중간 계층, 특히 비용 - 민감성에는 창고 - 스케일 데이터 센터가 Google, Yahoo, Twitter 및 Facebook에서 운영하는 - 성능 컴퓨팅 시스템의 규모를 일치 시키거나 초과합니다.

디지털 장치가 개별 장치에서 대규모 데이터 센터 배포로 확장함에 따라 디지털 장치가 상호 연결 및 전송 할 수있게하는 이유에 대한 기본 질문은 점점 복잡해집니다. 전통적인 전기 상호 연결은 고속과 먼 거리에서 심각한 제한에 직면합니다.

밀리미터 이상의 거리에 걸쳐 속도가 여러 GB/s를 초과 할 때, 전기 상호 연결은 중요한 문제에 직면합니다. 전력 소비 척도 전송 거리에 비례하여 전파 지연은 거리에 따라 차량으로 증가하고 신호 무결성이 심각하게 손상되며, I/O 핀 수는 트랜지스터 밀도가 증가 할 수 없습니다. 이러한 제한으로 인해 업계는 데이터 센터 연결을위한 광학 대안을 탐색하게되었습니다.

데이터 센터 진화

터미널 -에서 중앙 집중식 처리로 전환합니다

데이터 저장 요구 사항의 기하 급수적 인 성장

데이터 센터 구성 요소 간의 네트워크 트래픽 증가

전력 소비가 전기 시스템과의 상승

낮은 대기 시간에 더 높은 대역폭이 필요합니다

Background Of Photonics In Data Center Networks

로드맵 : 전기 대 광학 기술

전기에서 광학 상호 연결로의 전환은 현대 컴퓨팅 환경에서 데이터 전송에 접근하는 방법의 근본적인 변화를 나타냅니다.

전기 상호 연결

성숙한 기술로 인해 짧은 - 거리 통신을 지배했습니다. -는 비용 구조를 이해했습니다.

주요 제한 사항 :

거리가있는 전력 소비 스케일

전파 지연은 거리에 따라 2 차적으로 증가합니다

신호 무결성 문제 고속에서

I/O 핀 수 제약 조건에 의해 제한됩니다

연간 인터넷 트래픽 성장 56%에 걸친 문제

광학 상호 연결

현대 데이터 센터에서 효율적인 데이터 전송을 재정의하는 근본적으로 다른 속성을 제공합니다.

주요 장점 :

낮은 - 광 도파관 및 섬유의 손실 특성

전력 소비는 본질적으로 거리 - 독립적입니다

파장 분할 다중화 기능

전기에 비해 우수한 신호 무결성

미래의 대역폭 요구 사항을 충족 할 수있는 확장 가능

"데이터 센터에서 광학 상호 연결을 채택하면 2015 년 수준에서 300% 증가한 거리에 대한 상당한 광학 인프라를 통합 한 새로운 데이터 센터 빌드의 80% 이상이 크게 가속화되었습니다.이 기본 변화는 가상화가 도입 된 이후 데이터 센터 설계에서 가장 중요한 아키텍처 변화를 나타냅니다."

- Zhang et al., 2023, IEEE JSTQE, vol . 29, no . 4

주요 구성 요소

실리콘 광 음질 IC

실리콘 기판의 광 성분을 결합한 통합 회로

micro - 링 공진기

파장 선택 및 라우팅을위한 작은 광학 성분

마하 - Zehnder 간섭계

광 신호 조절을위한 광학 장치

배열 도파관 그레이팅

파장 분할의 구성 요소

Key Components

마이크로 아키텍처 스위치

Switch Microarchitecture의 진화는 DCI (데이터 센터 상호 연결)를 이해하는 데 중요한 구성 요소를 나타내며 디지털 장치가 규모로 데이터를 상호 연결하고 전송할 수 있도록하는 요소를 근본적으로 변경합니다. 최신 광학 스위치는 전기 상대에 비해 급격히 다른 설계를 사용합니다.

전기 스위치는 - 핀 대역폭 {- per per in pin in in pin in pin - 포트 당 더 많은 핀들 사이에서 선택을 선택하는 (- 포트 대역폭에 따라 증가) 또는 포트 당 핀 핀 (스위치 래디 딕스 증가하지만 제한 대역과 제한) {3}- {3} wefflex weftals wefferent we woffernate woftal wofferting wweftes.

현대 광학 스위치 아키텍처는 디지털 장치가 여러 파장을 통해 데이터를 동시에 상호 연결하고 전송할 수 있도록하는 실리콘 광자 통합 회로를 사용합니다. 일반적인 높은 - radix 광 스위치는 각각 400Gbps 이상의 대역폭을 운반하는 256 포트 이상을 지원할 수 있습니다.

광 스위치의 성능 장점

10-100×

비트 당 전원이 적습니다

μS → NS

대기 시간 감소

256+

스위치 당 포트

내부 아키텍처는 Micro - 링 공진기, mach - Zehnder 간섭계 및 배열 도파관 그레이팅을 사용하여 전기 변환없이 광 신호를 라우팅합니다. 이 접근법은 전기 스위치에 비해 비트 당 10-100 배 적은 전력을 소비하면서 마이크로 초에서 나노초로의 대기 시간을 줄입니다.

DCI의 문제는 이러한 맥락에서 명확 해지는 것을 의미합니다. 데이터 센터 상호 연결은 높은 - 속도, 낮은 - 데이터 센터 리소스 간의 대기 시간 연결을 가능하게하는 중요한 인프라를 나타냅니다. 현대 DCI 아키텍처는 광학 스위칭 패브릭에 점점 더 많은 규모와 성능을 달성하여 디지털 장치가 분산 컴퓨팅 리소스에서 데이터를 상호 연결하고 전송할 수 있도록 기본적으로 변환합니다.

실험 설정 및 구현

최근의 실험적 배치는 모든 - 광학 데이터 센터 네트워크의 실질적인 생존력을 보여 주었으며, 데이터 전송을위한 새로운 패러다임을 보여줍니다.

HP의 광학 백플레인 (2011)

HP는 라우터에 대한 완전한 광학 수동 백색 비행기를 보여 주었으며, 하위 - 나노 초 대기 시간을 갖는 10tbps 집계 대역폭을 달성했습니다.

• 인쇄 회로 보드에 포함 된 중합체 도파관

• 실리콘 광전자 트랜시버

• 파장 - 선택적 라우팅 요소

현재 실험 구성 요소

최신 실험 설정은 고급 구성 요소를 사용하여 광학 상호 연결 성능의 경계를 푸시합니다.

수직 - 공동 표면 - 방출 레이저 (VCSELS) 850NM 또는 1310NM

50 GBAud 기호 속도를 달성하는 실리콘 광학 변조기

긴 -에 대한 코 히어런스 감지 시스템은 80km 이상 DCI에 도달합니다

나노초 재구성 시간과 통합 된 광 스위치

실험실 시연

최근의 실험실 결과는 광학 상호 연결 기술에서 놀라운 이정표를 달성했습니다.

단일 - 파장 데이터 속도는 1 tbps를 초과합니다

10 나노 초 미만의 전환 시간

비트 당 1 피코 주일 미만의 전력 소비

증폭없이 2km 이상의 투과 거리

실험적 검증 프로세스

온도 테스트

실리콘 광기 장치의 견고성을 확인하기 위해 -40도에서 85도 테스트

비트 오류율

측정 다른 변조 형식에서 전송 품질을 확인합니다

전력 분석

전기 솔루션에 대한 광학의 에너지 효율의 이점 검증

긴 - 용어 신뢰도

광학 기술이 생산 요구 사항을 충족 할 수 있도록 확장 된 테스트

결과 및 성능 지표

생산 데이터 센터에서 광학 상호 연결을 구현하면 인상적인 결과가 발생하여 디지털 장치가 전례없는 스케일로 데이터를 상호 연결하고 전송할 수있는 요소를 변환했습니다.

예를 들어 Google의 데이터 센터는 네트워크 장비가 총 전력 소비의 15%를 차지하고 있으며 광학 상호 연결은이 수치가 모든 - 전기 대안에 비해 40% 감소한다고보고했습니다.

배포 된 시스템의 성능 메트릭은 데이터 센터 상호 연결 설계를위한 광학 솔루션의 우수성을 보여줍니다. 99.999% 광학 구현의 가용성; 모든 - 광학 스위칭을 사용한 - 데이터 센터 통신에 대한 sub - 마이크로 초 대기 시간; 운영 비용을 고려할 때 5 년 동안 총 소유 비용의 50% 감소; 800Gbps 이상으로 명확한 로드맵을 갖는 파장 당 400Gbps로 대역폭 확장 성.

ACOCS (Active Optical Cables)는 구리 케이블에 비해 자본 비용이 더 높음에도 불구하고 디지털 장치가 데이터를 상호 연결하고 전송할 수있는 주요 기술로 시장을 빠르게 침투했습니다. 그들의 장점은 가벼운 무게, 작은 굽힘 반경, 우수한 전력 효율 및 전자기 간섭을 극적으로 감소시키는 것입니다.

실제 - 세계 배포 결과

Google 데이터 센터

네트워크 장비 전력 소비의 40% 감소

페이스 북 데이터 센터

네트워크의 30% 감소 - 관련 전력 소비

Microsoft Azure

광학 기술을 사용한 대역폭 밀도의 5x 개선

아마존 웹 서비스

광학 배포를 통한 케이블 볼륨의 10 × 감소

기술 비교

메트릭	전기 같은	광학
전력 효율성	낮추다	더 높은 (10-100 ×)
대역폭	제한된	400+ gbps/파장
숨어 있음	마이크로 초	나노 초
거리 감도	높은	낮은
EMI 감수성	높은	낮은
비용 (TCO)	시간이 지남에 따라 더 높습니다	5+ 연도가 낮습니다

Results And Performance Metrics