運算需求激增　1.6T資料中心為大勢所趨(上)

2023-03-22

是德科技

資料中心看上去只不過是布滿了成排伺服器機櫃的房間，但它們將在未來新興技術的發展中擔起重任。不論是工業4.0、人工智慧(AI)、虛擬實境(VR)，還是元宇宙和物聯網(IoT)，都需要仰賴資料中心提供的強大運算資源。

Keysight

過去30年間，資料中心網路一直是推動現代社會演進的舵手。隨著乙太網路速度激增，人們可輕易傳輸大量資料，以便進行通訊、處理任務，並做出複雜決策。近來，網路領域開始運用創新技術來提高速度，而資料傳輸速度也必須跟著加快，以便因應使用者持續升高的需求。高速網路的高度創新，將可實現800Gbps(800G)和1.6Tbps(1.6T)的速度，創建一個更加緊密相連的世界。

雲端與邊緣運算

如果現在科技產業最大的問題是：「AI將如何改變世界？」那麼下一個問題應該是：「該如何處理所有資料？」此時，超大規模資料中心便是解答。近幾年來，將資料處理任務轉交給外部伺服器執行成為資料處理領域的一項重要趨勢。為了支援雲端運算網路，超大規模資料中心應運而生。此外，主要用於邊緣運算的小型資料中心也開始支援各式各樣的時效性應用。過去負責提供網際網路連接的資料中心，如今已變成「智慧工廠」，為資料密集應用提供強大的運算資源。

在網際網路應用中，每台電腦(用戶端)都會連接到數據機或路由器，將資料傳送到各地的伺服器。雲端運算和邊緣運算的運作方式非常相似：在登入伺服器後，使用者可透過功能強大的程式來執行高速運算。不難看出，為什麼將資料處理的任務轉移到外部伺服器，可以讓諸多新興技術取得重大進展。

邊緣運算因推動自動駕駛汽車(AV)發展而備受矚目(圖1)。安全地操控自動駕駛汽車，過程中涉及數以千計的緊急決策。汽車製造商並未在自動駕駛汽車內放置一台超級電腦來處理感測器資料，也沒有將資料傳送到遠端資料中心，而是在靠近用戶端的「邊緣」，使用小型伺服器在本地處理資料，以便大幅減少延遲。一項稱為V2X(Vehicle-to-Everything)的新興技術，可擷取來自其他車輛和道路基礎設施的資料，傳送至中央伺服器進行處理。此趨勢已經成為用戶端生態系統的一部分。這些伺服器可針對駕駛狀況做出最佳決策，讓十字路口即使沒有紅綠燈也不會發生碰撞。

雲端運算應用種類繁多且各不相同，從控制工廠機器人到將效率最大化、在元宇宙中代管數千名VR使用者，或是託管ChatGPT和DALL-E等遠端AI程式等，不一而足。即時資料傳輸和處理，是這類應用的基石。時序是其中的關鍵要素，而雲端和邊緣運算應用對延遲具有不同的要求。在元宇宙中，網路延遲可能導致使用者產生動暈(Motion Sick)的現象，而在V2X生態系統中，延遲可能造成致命的車禍。

當今的400G資料中心已足以支援4K串流影片和大型視訊會議，但對於許多新興應用而言，這樣的速度還不夠快。隨著全球各地的資料量不斷激增，即便是800G的傳輸速度都不一定夠用。因此，網路產業已開始將目光焦點投向1.6T。

資料中心內部革新

想掌握1.6T的研發精髓，首先需要深入了解資料中心的架構(圖2)。資料中心以核心路由器為中心，並透過交換器網路饋送資料，這些交換器可在每列伺服器機櫃之間提供連接。每個伺服器機櫃均配備一個機架頂(TOR)交換器，可將資料傳送至特定伺服器，並指派該伺服器處理資料。此外，資料中心也透過銅纜或光纜將每台伺服器的背板與執行電光學轉換的光學模組連接在一起。

實體層收發器需要遵循電機電子工程師學會(IEEE)和光互連論壇(OIF)標準。這兩個產業組織各自定義了不同介面的互通性規格，包括裸晶對裸晶連接、晶片對模組介面和晶片對晶片介面，以及背板纜線(圖3)。本文撰寫時，最新標準為IEEE 802.3ck，其定義使用多個100Gbps通道的100G、200G和400G網路；以及OIF CEI-112G，即每通道112Gbps資料傳輸速率的一系列標準。

圖3　交換器晶片、模組和背板連接符合OIF CEI和IEEE標準　(圖片來源：Alphawave IP Tony Chan Carusone提供)

800G/1.6T創新及挑戰

全球第一個IEEE 802.3標準於1983年發布，當時乙太網路的速度僅10Mbps。然而，在過去幾十年間，透過不間斷的創新，乙太網路的速度大幅提升，藉由結合4個56GBaud(GBd)PAM4通道，總速度可達400Gbps。從第一個IEEE 802.3標準，到即將發布的800G/1.6T IEEE 802.3df標準，乙太網路速度已不可同日而語(圖4)。業界期望在未來幾年內將網速提升一倍，以滿足新的頻寬需求。