ECOC 2025：剑桥大学/Nvidia/imec报道面向AI数据中心网络的二维光交换高速互连技术

本文了提出一种基于硅光4×4×8空间-波长选择光开关（SWSS）的二维光交换高速互连方案，专为AI驱动的数据中心网络设计。该开关支持InfiniBand协议下100Gbps波长-空间路由，同时可通过以太网实现1Gbps实时视频传输，验证了其在高带宽、高灵活性AI网络中的应用潜力，为解决现代数据中心互连面临的性能瓶颈提供了有效途径。

光子集成OCS技术：从单材料平台到异质集成平台

一、引言

人工智能（AI）的爆发式增长正从根本上重塑现代数据中心的架构设计与性能需求。AI工作负载需海量带宽、超低延迟及高可扩展的互连结构，以支撑分布式加速器集群间的并行处理与实时数据交换。然而，传统电子开关受限于带宽密度、功耗及热约束，已难以满足这些不断演进的需求。

除计算资源扩展外，内存解聚等新兴范式也对互连技术提出了更高要求。通过将内存集中为池化资源，解聚架构可提升资源利用率，但同时对网络的高带宽与低延迟特性提出了严苛标准。光交换（OCS）凭借高吞吐量、低延迟通信及动态重构能力，成为应对这些挑战的理想选择——例如NVIDIA已展示了其DGX平台中集成OCS以增强弹性与可重构性NVIDIA的OCS光交换实验更新。

硅光子学为上述问题提供了极具吸引力的解决方案。借助光通信固有的高速、低延迟及高能效优势，光交换架构可量身打造适配下一代数据中心需求的可扩展、可重构互连系统。其中，空间-波长选择开关（SWSS）能够通过空间端口独立路由多个波长信道，实现细粒度流量控制与动态带宽分配，进一步提升了互连灵活性。

本文基于商用现成（COTS）组件，设计并实现了一款硅基4×4×8 SWSS，用于可扩展数据中心互连。该开关核心采用波长选择路由架构，可在四个输入/输出端口间动态切换多个波长信道，通过DWDM、CWDM等标准化波长栅格，实现服务器机架间基于共享光交换结构的灵活可重构通信。

二、开关设计与表征

2.1 拓扑与组件设计

如图1（b）所示，该SWSS采用改进的Banyan拓扑，以抵消一阶带内串扰。信号的扇出与扇入通过2×2×8λ开关单元（SEs）和无源合路器实现，设计融合了微环谐振器（MRRs）的高调谐效率与波长选择性，以及马赫-曾德尔干涉仪（MZIs）的宽带宽与稳定性，使其适配高性能多维切换场景。

2.2 硬件实现与关键参数

图1（c）为通过IMEC SOI多项目晶圆（MPW）流片制备的开关显微镜图像。该开关总面积为20 mm²，其中12个开关单元仅占0.6 mm²，MRRs间距设计为200μm以降低热串扰。为验证波长独立控制能力，采用QSFP28收发器（O波段）从输入端口I₁向输出端口O₁传输信号，测试结果显示，四个波长信道的消光比均超过27 dB，光带宽达65 GHz（图2），插损在10dB左右。

三、性能测试与验证

3.1 InfiniBand链路表征

测试采用NVIDIA Mellanox网卡通过PCI-e接口连接至PC，网卡中插入一对100G QSFP28收发器（O波段），支持四个间隔4.5 nm的光波长，最大传输距离可达40 km。光信号经500米单模光纤（SMF）传输后，通过所设计的光开关路由并环回，接收端由对应QSFP28收发器捕获信号。

借助NVIDIA固件工具（MFT）进行链路调试与监控，网卡配置为PRBS31测试模式，数据速率为4×25.78 Gbps/λ，通过收集网卡原始误码计数，计算不同空间路径与波长下的误码率（BER）。

如图3（b）所示，在4个输入端口（I₁-I₄）、4个输出端口（O₁-O₄）及4个波长的所有组合中，BER值范围为10⁻⁹~10⁻⁶，验证了开关支持每通道25.78 Gbps、总速率100 Gbps的可靠传输。插入损耗是影响BER的主要因素，每条路径的总损耗约为20 dB，包括光纤耦合损耗、开关插入损耗及波导相关损耗，这些均为光子集成电路（PIC）设计的固有损耗成分。

3.2 以太网链路表征

为验证SWSS在以太网流量中的实际性能，采用10Gbps SFP+收发器与商用以太网交换机搭建真实以太网分组传输测试平台（图4（a））。两对带SFP+端口的以太网交换机用于连接光开关，电-光转换由交换机完成，FPGA控制板连接至开关驱动器以配置切换状态。

测试通过一对60 km、1270 nm SFP+收发器开展4K视频传输实验。由于4K视频流带宽需求较低，且PC配备1G网卡，采用VLC媒体播放器合并多路视频流，生成总速率约1 Gbps的聚合流后发送至带可插拔SFP+收发器的10G以太网交换机。图4（b）展示了收发器接收光功率与BER的关系——接收光功率降低会导致BER升高，进而影响视频质量。通过插入光衰减器并逐步增加衰减量的测试表明，即使额外增加13 dB衰减，系统仍能维持稳定的4K视频传输，验证了至少13 dB的总动态范围，证明该光开关可在显著的光功率变化下可靠运行，适用于实际光网络部署。

值得注意的是，当前测试的1 Gbps速率上限源于以太网交换机接口，而非光开关本身。基于开关波长信道65 GHz的实测光带宽，结合未来更高速度的强度调制直接检测（IMDD）或相干收发器及兼容网络硬件，理论上可支持超过60 Gbaud/s的速率，实现200 Gbps/λ甚至更高的数据传输。

四、结论

本文实验验证了一款面向现代数据中心可扩展、低延迟互连的硅基光子4×4×8λ SWSS。InfiniBand链路的BER测试表明，该开关在所有端口与波长组合下均能实现100 Gbps的可靠传输，BER范围为10⁻⁹~10⁻⁶。

以太网视频传输测试进一步验证了其实际应用价值：通过10G SFP+收发器在60 km光纤链路上实现了高质量4K视频流传输，尽管开关存在约20 dB的固有插入损耗，但在额外增加13 dB光衰减的情况下仍能稳定工作，证实了至少13 dB的动态范围，彰显了在可变链路预算下的稳健性能。

该SWSS的3 dB带宽超过65 GHz，结合收发器技术的进步，可支持未来高速调制格式（如200 Gbps/λ及以上）。这些结果表明，SWSS为AI-centric、内存解聚的数据中心架构提供了一种高吞吐量、可重构的光网络解决方案。