NTT光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)欲降功耗至1/100 2026年商業(yè)化

  ICC訊 盡管當(dāng)今光纖速度很快，但在互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器層面將光子轉(zhuǎn)換為電信號仍消耗大量電力。

  日本電信公司NTT與電子巨頭東芝正在共同研究解決這一問題的新方法。今年11月，雙方演示了通過一個(gè)從300公里外數(shù)據(jù)中心控制的光與無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速工廠生產(chǎn)。

  他們將此演示稱為行業(yè)首創(chuàng)，這也是NTT近期積極推廣的案例，旨在說服科技界相信光子學(xué)將構(gòu)成“下一代信息和通信基礎(chǔ)設(shè)施”。

圖片備注：NTT的光子-電子融合（PEC）設(shè)備以光學(xué)替代方案取代電子交換機(jī)，降低了每秒傳輸太比特?cái)?shù)據(jù)所需的功耗。

  服務(wù)器內(nèi)部的光學(xué)革命

  光纖在數(shù)十年前已徹底改變數(shù)據(jù)傳輸，但它仍依賴電子路由器、收發(fā)器等組件進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換。在傳統(tǒng)光纖網(wǎng)絡(luò)中，信息在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部以電子方式傳輸，這在高速環(huán)境下可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失，并對網(wǎng)絡(luò)速度和能耗造成顯著限制。光子學(xué)系統(tǒng)則將信息直接編碼到光中——利用光子數(shù)量、偏振、相位和振幅等特性，通過光纖傳輸信號。

  NTT表示，其創(chuàng)新光無線網(wǎng)絡(luò)（Innovative Optical and Wireless Network，IOWN）光子學(xué)平臺可將電信網(wǎng)絡(luò)的功耗降至目前的百分之一，數(shù)據(jù)容量提升125倍，并將網(wǎng)絡(luò)延遲削減至當(dāng)前水平的極小比例。與此同時(shí)，AI時(shí)代數(shù)據(jù)中心的能耗正在急劇增長，預(yù)計(jì)將增加一倍以上。事實(shí)上，據(jù)國際能源署執(zhí)行主任Fatih Birol稱，到2030年，全球數(shù)據(jù)中心的電力消耗預(yù)計(jì)將與日本相當(dāng)。

  “我們需要換一種思路來應(yīng)對這個(gè)問題，”NTT IOWN開發(fā)辦公室聯(lián)合負(fù)責(zé)人C. Sean Lawrence表示?！昂诵睦砟钍窃跀?shù)據(jù)中心內(nèi)部、服務(wù)器內(nèi)部電路板之間、電路板上芯片封裝之間，最終在封裝內(nèi)部的硅芯片之間，從電氣布線轉(zhuǎn)向光學(xué)布線。我們認(rèn)為，通過這種轉(zhuǎn)變，我們可以徹底改變高性能數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算?！?

  光子芯片的測試進(jìn)展

  NTT面臨著光學(xué)元件小型化及其集成到芯片中成本高昂的挑戰(zhàn)。該公司于2023年開始向數(shù)據(jù)中心提供IOWN的初步組件，同年成立了NTT Innovative Devices公司，以開發(fā)制造所謂的光子-電子融合（Photonic-electronic Convergence，PEC）設(shè)備。PEC類似于可插拔的光學(xué)收發(fā)器，用于數(shù)字光信號與電信號的轉(zhuǎn)換。NTT稱，與用于網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算的傳統(tǒng)電子設(shè)備相比，將光電子器件集成到單一封裝中能降低功耗和發(fā)熱。

  該公司一直通過包括遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心傳輸在內(nèi)的演示來推廣其愿景。與中華電信合作，他們組織了色彩繽紛的“Cho-Kabuki”表演，將相距約1700公里的大阪和臺北的舞臺通過光子學(xué)、視頻和一個(gè)大型屏幕舞臺連接起來，讓兩端的演員可以互動。幾乎難以察覺的時(shí)間延遲僅為17毫秒。

  隨后，NTT在其東京研究中心展示了PEC硬件。除其他IOWN演示外，該中心還展示了一個(gè)模擬電視演播室。NTT稱，歌舞伎表演中使用的板對板原型設(shè)備容量為每秒51.2太比特，并依賴第二代PEC交換機(jī)。NTT還表示，其開發(fā)了資源控制技術(shù)以優(yōu)化硬件資源使用，結(jié)合PEC交換機(jī)，功耗較傳統(tǒng)光計(jì)算有所降低。

  該公司正與美國芯片制造商博通及其他伙伴合作，計(jì)劃于2026年將第二代PEC商業(yè)化。該硬件是NTT路線圖中的一步，該路線圖將板間光通信定為IOWN的第二階段，隨后是2028年起的芯片間互聯(lián)，以及2032年起的芯片內(nèi)連接。

  “封裝到封裝的連接正在開發(fā)中，”IOWN開發(fā)辦公室另一位負(fù)責(zé)人Yosuke Aragane說。“我們正與眾多生態(tài)合作伙伴及政府資助項(xiàng)目共同開發(fā)生產(chǎn)技術(shù)。芯片到芯片的連接已在考慮之中。但回顧歷史，我相信這種連接有望在2030年代早期成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。”

  NTT能否推動全球轉(zhuǎn)型？

  NTT明白無法獨(dú)自完成這場變革，因此于2020年聯(lián)合索尼和英特爾，共同創(chuàng)立了名為IOWN全球論壇（IOWN Global Forum）的光子學(xué)生態(tài)系統(tǒng)。該論壇現(xiàn)有超過160名成員，包括芯片和服務(wù)器制造商，以及谷歌、微軟等互聯(lián)網(wǎng)公司。

  IOWN與歐洲一項(xiàng)已有二十年歷史的倡議“Photonics21”相呼應(yīng)，后者是一個(gè)旨在提升歐洲光子學(xué)產(chǎn)業(yè)水平的公私合作伙伴關(guān)系。

  然而，NTT在推廣新技術(shù)方面的記錄喜憂參半。1999年，當(dāng)其仍是全球最具價(jià)值的公司之一時(shí)，未能將其突破性的“i-mode”移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)成功推向海外。如今，其全球影響力已大不如前。

  “電信公司歷史上曾錯過云計(jì)算和人工智能等機(jī)遇，但他們的一大優(yōu)勢是邊緣網(wǎng)絡(luò)連接性，所以這是他們爭奪一些領(lǐng)域的最后機(jī)會，”總部位于俄勒岡州尤金的研究公司LightCounting的分析師Roy Rubenstein表示。“不尋常之處在于，我們看到了一項(xiàng)由電信公司主導(dǎo)并獲支持的倡議。我認(rèn)為NTT的路線圖是現(xiàn)實(shí)的，也與行業(yè)整體趨勢相符，但它無法獨(dú)力完成，即使有所有這些公司參與，仍顯不足?！?

  “隨著AI的興起，”Rubenstein補(bǔ)充道，“計(jì)算已經(jīng)重新回到一切的中心。如果AI熱潮減退，緊迫性便會消失。但如果AI持續(xù)當(dāng)前發(fā)展態(tài)勢，五年后將更接近這一愿景?！?

  東京慶應(yīng)義塾大學(xué)電子電氣工程教授Takasumi Tanabe表示，IOWN正在推動硅光子學(xué)和光學(xué)封裝領(lǐng)域的重要研發(fā)。

  “在器件層面，某些方面更具挑戰(zhàn)性，”Tanabe說?！巴耆鈱W(xué)’的系統(tǒng)，即徹底移除電子器件，以當(dāng)前的器件物理水平可能難以實(shí)現(xiàn)。電子器件在控制、調(diào)制和信號處理方面仍屬必要。即便如此，我預(yù)計(jì)光子器件將在未來系統(tǒng)最需要低功耗、高帶寬和低延遲的關(guān)鍵部分，扮演越來越重要的角色。”

  “盡管部分目標(biāo)頗具雄心，”Tanabe補(bǔ)充道，“但I(xiàn)OWN背后的核心理念是現(xiàn)實(shí)的，該倡議已推動了光子學(xué)技術(shù)的重要進(jìn)步?！?

  來源：Silicon Photonics Data Center Slashes Latency - IEEE Spectrum - https://spectrum.ieee.org/silicon-photonics-data-center