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終結(jié)光纖線纜時代,紅外激光“隔空傳輸”數(shù)據(jù)引發(fā)革命!
星之球科技 來源:湖北省激光行業(yè)協(xié)會2017-02-15 我要評論(0 )
光在一個數(shù)據(jù)中心機房內(nèi),成百上千的光纖電纜將服務器機架重重包圍。為何不把這些電纜都丟掉,然后給每個服務器機架頂部裝上紅外
光在一個數(shù)據(jù)中心機房內(nèi),成百上千的光纖電纜將服務器機架“重重包圍”。為何不把這些電纜都丟掉,然后給每個服務器機架頂部裝上紅外激光器?
但是,我們還可以給更多機架裝上感光接收器,以接收激光器發(fā)送的數(shù)據(jù),再放置一些可移動的小鏡子以改變光的發(fā)射方向,繼而實現(xiàn)在一瞬間重新配置整個系統(tǒng)。
以上描述并不是異想天開,而是賓夕法尼亞州立大學電子工程學教授Mohsen Kavehrad目前正在進行的研究。他的研究團隊已經(jīng)在實驗室里為這種紅外線激光數(shù)據(jù)傳輸模式搭建了一套原型系統(tǒng)。
Kavehrad教授實驗室里的紅外線激光信號傳輸系統(tǒng)原型
Kavehrad教授打了個比方:“現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心亂得像一片叢林,服務器之間有數(shù)不清的光纖線。”他希望有一天,這種激光器可以取代現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心常見的光纖電纜。
實際上,在光纖電纜中使用紅外信號傳輸數(shù)據(jù)已經(jīng)很常見了,但Kavehrad想做的是直接在空氣中用紅外信號傳輸數(shù)據(jù)。借助他設計的系統(tǒng),紅外激光能以每秒10千兆比特的速度進行數(shù)據(jù)傳輸。他將這套系統(tǒng)命名為“螢火蟲(Firefly)”。因為螢火蟲可以通過閃光進行交流,而系統(tǒng)名稱正是來源于此。
紅外線激光束射入信號接收系統(tǒng)
Kavehrad教授針對這個新方法已經(jīng)發(fā)表了多篇文章,并于近日在舊金山舉行的美國西部光電展上演示了最新研究成果。
在演示中,Kavehrad用激光器生成了一種1550納米波長的紅外信號——這正是光纖電纜常見的波長。接著,他對這一信號進行了“波分復用”處理,這種技術能將不同波長的信號匯合到同一束激光上。之后,他通過成本低廉的透鏡對激光進行傳輸。
在距第一個透鏡約15米遠的地方,他放置了第二個透鏡和若干個光電二極管接收器。為了控制激光的走向,Kavehrad還用到了一些小鏡子;這些鏡子直徑僅為2毫米,由微電子機械系統(tǒng)(MEMS)提供動力。他構(gòu)想的這種數(shù)據(jù)鏈路是雙向的——兩端皆可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
安裝了微型反射鏡的兩種不同的微電子器件,一種用于紅外線激光定位,一種用于傳輸信號
此外,Kavehrad的團隊還用相同的設備成功傳輸過電視信號。他們將1千兆赫的有線電視信號輸入多路復用器;這樣一來,電視信號和其它數(shù)據(jù)會由同樣的激光傳輸。在另一端,他們放了一個LED電視以收看接收到的電視頻道。
同如今廣泛使用的光纖電纜、路由器和交換機系統(tǒng)相比,Kavehrad教授的方法可以提供同等、甚至更好的帶寬和吞吐量(取決于數(shù)據(jù)中心有多少數(shù)據(jù)鏈路)。他說,得益于激光器和光電探測器的發(fā)展,這種紅外信號傳輸系統(tǒng)可以輕松處理數(shù)萬億字節(jié)的數(shù)據(jù)。
安裝了微型反射鏡的微電子器件,用來將激光折射到接收器中
據(jù)統(tǒng)計,美國數(shù)據(jù)中心的用電量占到了全國總用電的2%左右,其中大部分電力用于冷卻約40萬臺服務器。但在任意時間點都有大約30%的服務器處于閑置狀態(tài),這意味著大量的能源都用于冷卻閑置的服務器。
Kavehrad認為,紅外激光器能讓數(shù)據(jù)中心管理人員更輕松地重新布置服務器機架。這樣的話,所有需要冷卻的服務器就可以放在同一區(qū)域,而不是四處分散。目前,很多大型互聯(lián)網(wǎng)公司都將數(shù)據(jù)中心能耗成本,作為機房選址的最重要考量標準之一。比如,Google就將“大量廉價電力”做為數(shù)據(jù)中心選址的首要條件。
數(shù)據(jù)中心機房冷卻消耗大量的電能
當然,目前還很難評估這套紅外激光器到底能節(jié)約多少能源,而且安裝激光器是否有足夠的性價比亦未可知。Kavehrad教授花了約兩萬美元搭建原型系統(tǒng),不過他預計,如果有大公司愿意投資,或者集成電子學繼續(xù)有所突破,這套系統(tǒng)的設備成本會迅速大幅下降。
數(shù)據(jù)中心能效專家Jonathan Koomey表示,Kavehrad教授的構(gòu)想是否能為Google或Netflix所用尚未可知,但他或許應該先在較小的市場試水:比如超級計算機領域。他補充說:“即使不能被廣泛使用,有一些重要的技術領域也許用的上這種構(gòu)想。”
超級計算機機房或許將成為紅外激光器的潛在應用場景
在測試紅外激光器之前,Kavehrad和他在石溪大學以及卡內(nèi)基·梅隆大學的同事曾經(jīng)測試高頻毫米波能否代替電纜。在電磁波譜上,高頻毫米波介于紅外線和常用無線電波之間。遺憾的是,傳輸距離一旦超過10米,高頻毫米波就會衰減或失去作用。對此,Kavehrad的解釋是由于干擾太強導致的。
接收器捕捉到紅外信號后會將其導入光纖,并傳輸?shù)阶罱K接收端
為了保險起見,當他的團隊轉(zhuǎn)而測試紅外激光器時,他們特意配備了信號放大器,以提升信號強度。然而,事實證明這完全是多此一舉。
令人意外的是,紅外信號太強了,以致于他們不得不在接收器端削弱信號強度,然后再讓設備對信號進行處理。Kavehrad教授說:“如果信號好到你都要進行削弱處理了,那就證明測試其實已經(jīng)挺成功了。”
盡管如此,還是有幾個問題急需解決,比如震動。服務器機架在處理和傳輸數(shù)據(jù)時,由于內(nèi)部器件同時工作,會產(chǎn)生震動。研究團隊非常擔心這種震動會影響激光的準確性,因為“震動匯聚的信號會導致嚴重的數(shù)據(jù)丟失。”
目前,Kavehrad教授和研究團隊正在對原型系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,來盡可能消除這類外在因素的影響。
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