前言

在过去几年中，数据中心内服务器之间的数据传输速率迅速提高，这是由云的采用和数据分析和机器学习等数据密集型云工作负载推动的。云提供商已经能够通过依赖摩尔定律来适应这种快速增长的网络，根据摩尔定律，每两年，电子开关集成电路以相同的成本和功率将带宽增加一倍。然而，这一趋势的长期可持续性正受到两个即将到来的挑战的质疑。首先，与处理器集成电路的情况类似，随着几纳米晶体管尺寸的接近，电子开关集成电路上晶体管密度的缩放从根本上受到功耗的限制。其次，电子高速串行收发器数据速率预计很难超过112 Gb s-1，因为在高频下工作时介电损耗会急剧增加。因此，增加总开关容量将要求芯片周围的串行收发器数量成比例增加，从而导致更大的功率密度和封装复杂性。虽然在不久的将来，持续的带宽扩展可能会得到架构优化的支持，但在中长期保持成本中立似乎非常具有挑战性。这种不确定性促使人们将光开关作为电子开关的可行替代物进行研究。光开关只需将输入信号重定向到输出端口，无需任何光/电转换或数字处理。因此，它们不受晶体管或收发器技术的限制。然而，除了光交换时间之外，总的端到端交换延迟还包括时钟和数据恢复(CDR)锁定时间。因此，每次发生这种情况时，接收器都需要恢复新的时钟。在商用器件中，锁定时间通常约为12微秒。较长的端到端交换时间大大降低了网络利用率，网络利用率定义为网络用于发送数据的时间百分比。这是因为在数据中心网络中传输的数据主要是小数据包，因此失去了光交换的好处。

研究内容

伦敦大学学院的研究人员为了量化切换数据中心工作负载时CDR锁定时间的影响，分析了云生产服务的网络跟踪。他们还研究了更改CDR锁定时间对网络利用率的影响。如下所述，我们得出结论，数据中心要实现90%以上的网络利用率，需要一个亚纳秒的CDR锁定时间(25.6 Gb s-1时不到16个符号)。

实验方法

他们考虑一个由数千个机架(每个机架约48台服务器)组成的典型数据中心集群，并建议通过全光交换结构互连所有电子架顶式交换机。其中一些交换机可以用作互联网协议(IP)网关，以提供群集间连接并实施路由策略，如防火墙。每个机架接收一个同步时钟，用于驱动收发器逻辑。该时钟可以从多个同步源19分配，因此它可以容忍时钟设备故障。时钟相位缓存也可以用于其他数据中心架构，例如从单个全光交换结构直接互连数千个服务器(而不是架顶式交换机)。

示例时钟相位缓存数据中心架构、工作原理和演示

通过时钟相位缓存提高数据中心网络利用率。

时钟相位缓存的稳定性。

时钟抖动对CDR锁定时间的影响。

结论

研究人员已经展示了一种时钟相位缓存技术，该技术可以使光交换数据中心网络的CDR锁定时间低于625 ps。他们的时钟相位缓存技术对于需要高吞吐量突发模式传输的各种科学和工程应用以及需要同步的社区都有价值。时钟相位缓存技术可以跟踪传输链路中的飞行时间漂移，而不需要成对的光纤，从而显著降低了QKD时钟网络的复杂性。

Clark, K.A., Cletheroe, D., Gerard, T. et al. Synchronous subnanosecond clock and data recovery for optically switched data centres using clock phase caching. Nat Electron 3, 426–433 (2020). https://doi.org/10.1038/s41928-020-0423-y。