光在一個(gè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)，成百上千的光纖電纜將服務(wù)器機(jī)架“重重包圍”。為何不把這些電纜都丟掉，然后給每個(gè)服務(wù)器機(jī)架頂部裝上紅外激光器？
但是，我們還可以給更多機(jī)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(dòng)的小鏡子以改變光的發(fā)射方向，繼而實(shí)現(xiàn)在一瞬間重新配置整個(gè)系統(tǒng)。
以上描述并不是異想天開(kāi)，而是賓夕法尼亞州立大學(xué)電子工程學(xué)教授Mohsen Kavehrad目前正在進(jìn)行的研究。他的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室里的紅外線激光信號(hào)傳輸系統(tǒng)原型
Kavehrad教授打了個(gè)比方：“現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心亂得像一片叢林，服務(wù)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(jiàn)的光纖電纜。
實(shí)際上，在光纖電纜中使用紅外信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)已經(jīng)很常見(jiàn)了，但Kavehrad想做的是直接在空氣中用紅外信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)。借助他設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，紅外激光能以每秒10千兆比特的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。他將這套系統(tǒng)命名為“螢火蟲(chóng)（Firefly）”。因?yàn)槲灮鹣x(chóng)可以通過(guò)閃光進(jìn)行交流，而系統(tǒng)名稱(chēng)正是來(lái)源于此。
紅外線激光束射入信號(hào)接收系統(tǒng)
Kavehrad教授針對(duì)這個(gè)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(guó)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(zhǎng)的紅外信號(hào)——這正是光纖電纜常見(jiàn)的波長(zhǎng)。接著，他對(duì)這一信號(hào)進(jìn)行了“波分復(fù)用”處理，這種技術(shù)能將不同波長(zhǎng)的信號(hào)匯合到同一束激光上。之后，他通過(guò)成本低廉的透鏡對(duì)激光進(jìn)行傳輸。
在距第一個(gè)透鏡約15米遠(yuǎn)的地方，他放置了第二個(gè)透鏡和若干個(gè)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(jī)械系統(tǒng)（MEMS）提供動(dòng)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(hào)
此外，Kavehrad的團(tuán)隊(duì)還用相同的設(shè)備成功傳輸過(guò)電視信號(hào)。他們將1千兆赫的有線電視信號(hào)輸入多路復(fù)用器；這樣一來(lái)，電視信號(hào)和其它數(shù)據(jù)會(huì)由同樣的激光傳輸。在另一端，他們放了一個(gè)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(jī)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(shuō)，得益于激光器和光電探測(cè)器的發(fā)展，這種紅外信號(hào)傳輸系統(tǒng)可以輕松處理數(shù)萬(wàn)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(lái)將激光折射到接收器中
據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)數(shù)據(jù)中心的用電量占到了全國(guó)總用電的2%左右，其中大部分電力用于冷卻約40萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器。但在任意時(shí)間點(diǎn)都有大約30%的服務(wù)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(wù)器。
Kavehrad認(rèn)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(wù)器機(jī)架。這樣的話，所有需要冷卻的服務(wù)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(jī)房選址的最重要考量標(biāo)準(zhǔn)之一。比如，Google就將“大量廉價(jià)電力”做為數(shù)據(jù)中心選址的首要條件。
數(shù)據(jù)中心機(jī)房冷卻消耗大量的電能
當(dāng)然，目前還很難評(píng)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?xún)r(jià)比亦未可知。Kavehrad教授花了約兩萬(wàn)美元搭建原型系統(tǒng)，不過(guò)他預(yù)計(jì)，如果有大公司愿意投資，或者集成電子學(xué)繼續(xù)有所突破，這套系統(tǒng)的設(shè)備成本會(huì)迅速大幅下降。
數(shù)據(jù)中心能效專(zhuān)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(yīng)該先在較小的市場(chǎng)試水：比如超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。他補(bǔ)充說(shuō)：“即使不能被廣泛使用，有一些重要的技術(shù)領(lǐng)域也許用的上這種構(gòu)想。”
超級(jí)計(jì)算機(jī)機(jī)房或許將成為紅外激光器的潛在應(yīng)用場(chǎng)景
在測(cè)試紅外激光器之前，Kavehrad和他在石溪大學(xué)以及卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的同事曾經(jīng)測(cè)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(wú)線電波之間。遺憾的是，傳輸距離一旦超過(guò)10米，高頻毫米波就會(huì)衰減或失去作用。對(duì)此，Kavehrad的解釋是由于干擾太強(qiáng)導(dǎo)致的。
接收器捕捉到紅外信號(hào)后會(huì)將其導(dǎo)入光纖，并傳輸?shù)阶罱K接收端
為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，當(dāng)他的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而測(cè)試紅外激光器時(shí)，他們特意配備了信號(hào)放大器，以提升信號(hào)強(qiáng)度。然而，事實(shí)證明這完全是多此一舉。
令人意外的是，紅外信號(hào)太強(qiáng)了，以致于他們不得不在接收器端削弱信號(hào)強(qiáng)度，然后再讓設(shè)備對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。Kavehrad教授說(shuō)：“如果信號(hào)好到你都要進(jìn)行削弱處理了，那就證明測(cè)試其實(shí)已經(jīng)挺成功了。”
盡管如此，還是有幾個(gè)問(wèn)題急需解決，比如震動(dòng)。服務(wù)器機(jī)架在處理和傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，由于內(nèi)部器件同時(shí)工作，會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)。研究團(tuán)隊(duì)非常擔(dān)心這種震動(dòng)會(huì)影響激光的準(zhǔn)確性，因?yàn)?ldquo;震動(dòng)匯聚的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的數(shù)據(jù)丟失。”
目前，Kavehrad教授和研究團(tuán)隊(duì)正在對(duì)原型系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，來(lái)盡可能消除這類(lèi)外在因素的影響。
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