CN103430464A - 架到架光通信 - Google Patents

Abstract

在某些实施例中，光收发器与计算架相关联，且适于通过空气向与第二计算架相关联的第二光收发器发射和/或从其接收一个或多个光束以在该计算架与第二计算架之间传达信息。描述并要求保护其他实施例。

Description

架到架光通信

技术领域

本发明一般涉及架到架（rack to rack）光通信（例如，架到架自由空间光学）。

背景技术

随着百亿亿次级(exascale)计算和企业群集变得越来越重要，计算机的架之间的数据传输和输入/输出（I/O）将变得越来越对性能和功率缩放构成限制。另外，随着时间继续，数据中心需要管理越来越多的动态变化的多租户（multi-tenancy）。实现可动态重新配置的数据中心而不需要人工干预将提供重要的成本节省，并且向数据中心配置的自动化大有进展。

当前在大多数数据中心中将光纤用于服务器架之间的耦合。但是，光纤电缆是劳动密集且体积大的，因而需要跳跃（hop）之间的大量电光转换。另外，每条光纤需要人工剪削和安装（例如，在窄小空间内），并且在每一端需要电光模块。此外，大型互连结构需要主光纤电缆和局部光纤电缆之间的复杂的电子交叉杆（cross-bar）切换。因此，需要一种在诸如数据中心中的服务器架之类的计算架之间耦合的新方式。

附图说明

根据下文给出的详细描述和本发明的一些实施例的附图，将能更完整地理解本发明，然而，这些详细描述和实施例的附图不应被视为将本发明限制为所描述的具体实施例，而仅仅是为了说明和理解。

图1示出根据本发明一些实施例的系统。

图2示出根据本发明一些实施例的系统。

图3示出根据本发明一些实施例的系统。

具体实施方式

本发明的某些实施例涉及架到架光通信（例如，架到架自由空间光学）。

在某些实施例中，光收发器与计算架相关联，且适于通过空气向与第二计算架相关联的第二光收发器发射和/或从其接收一个或多个光束以在该计算架与第二计算架之间传达信息。

根据某些实施例，自由空间光学（FSO）互连用于连接计算架（例如，服务器架和/或数据中心中的服务器架）。在某些实施例中，使用直接点对点链路使计算架耦合。在某些实施例中，使用镜（例如，使用安装在顶板上的镜）使计算架耦合。

根据某些实施例，自由空间光学（FSO）链路可以是具有大量已调制数据（例如，每秒数百Gb比特）的激光指示器光学载波。窄激光束以高度准直（例如，接收器处的跨距小于1英寸）引导超过数百米。根据某些实施例，激光束可从镜（例如，顶板上的镜）反射，可与其它激光束交叉而没有任何干涉，和/或可由角度选择性光学在接收端检测到以去除多个束串扰。

根据某些实施例，千万亿次级（petascale）计算机架支持大量（例如，一万）FSO发射器/接收器（FSO收发器）。在某些实施例中，这些FSO收发器被集成在晶片或芯片粘合的板上（例如，在架的顶部处的小垫（pad）中）。根据某些实施例，FSO收发器创建在例如一到一百米的距离上具有数百TB/s（每秒兆兆位）高吞吐量结构。根据某些实施例，使用FSO收发器耦合计算架将消除与光纤互连相关联的（例如，与用于百亿亿次级计算群集的光纤互连相关联的）缠结、成本和等待时间。根据某些实施例，FSO收发器用于创建无电缆、即插即用数据中心。

根据某些实施例，自由空间光学（FSO）是使用在自由空间中传播的光在两个点之间传输数据的光学通信技术。例如，在通过光纤电缆的物理连接例如由于高成本或其它考虑而不能实行的情况下这种技术是有用的。

根据某些实施例，自由空间光学链路可通过使用红外激光来实现，但是通过使用发光二极管（LED）在短距离上也可能进行低数据率通信。根据某些实施例，红外数据相关（IrDA）是FSO的简单版本。在某些实施例中，IrDA限定通过红外光的短程数据交换的通信协议标准的物理规范。自由空间光学先前也已被用于航天器之间的通信，但是这种链路的稳定性和质量高度依赖于诸如雨、雾、尘埃和热度之类的大气条件。自由空间光学可用于连接局域网（LAN），用于穿过公用道路或者发送者和接收者所不拥有的其它障碍，用于提供对光纤网络的高带宽访问的快速服务传递，等等。

美国仅有大约百分之五的商业建筑具有到户的光纤连接，但是大多数是约一英里以内的光纤连接。这种“最后一英里”经证明是将宽带服务扩展到许多潜在客户的主要瓶颈。因此，自由空间光学（FSO）已被视为用于提供该“最后一英里”内的通信以获得与许多建筑的户的快速连接的可行选择。

FSO系统基于FSO收发器，FSO收发器包括例如一个或多个激光二极管发射器和相应的接收器（例如，在同样包括光学透镜、数据处理器、光纤连接和/或对准系统的外壳中）。FSO技术是独立于协议的，并且可支持许多不同类型的网络。例如，它可与ATM、SONET、吉比特以太网或者实际上任何其它类型的网络或通信协议一起使用。

FSO收发器几乎可位于任何地方（例如，屋顶上、建筑物的角落、窗后的室内，等等）。FSO收发器之间的链路距离先前已与可变距离一起使用（例如，在某些室外应用中多达一英里或更多）。

已基于不同波长使用FSO网络。例如，已使用基于780纳米（nm）、850nm或1550nm激光波长系统的FSO网络，其具有不同的功率和距离特性。FSO已在光谱的未经调节部分中进行操作，因此联邦通信委员会不要求任何许可。

根据某些实施例，自由空间光学（FSO）是提供全双工吉比特以太网吞吐量的光学无线技术。例如，这种视线技术使用不可见光束来提供光学带宽连接。在某些实施例中，FSO能够通过空气同时发送高达每秒1.25吉比特的数据、语音和视频通信，从而实现光纤连通性而不需要任何物理光纤电缆。光通过空气传播比其通过玻璃传播要快，且FSO技术实现光速通信。

图1示出根据某些实施例的系统100。在某些实施例中，系统100包括计算架102（例如，数据中心中的服务器架和/或计算架）和计算架104（例如，相同数据中心中的服务器架和/或计算架）。在某些实施例中，例如，自由空间光学（FSO）收发器122被包括于计算架102中、在计算架102上、在计算架102附近、在计算架102周围、和/或在计算架102下。在某些实施例中，例如，自由空间光学（FSO）收发器142被包括于计算架104中、在计算架104上、在计算架104附近、在计算架104周围、和/或在计算架104下。根据某些实施例，FSO收发器122和FSO收发器142提供一种经由光束162（例如，红外光束、发光二极管光束、激光束和/或红外线激光束）通信地耦合计算架102和计算架104的方式。

在某些实施例中，系统100提供计算架102和计算架104之间的点对点光束链路。尽管系统100被示为仅有两个计算架102和104，但是应注意，在某些实施例中，系统100包括更多的计算架及关联FSO收发器，其中每个FSO收发器促进其关联计算架与其它FSO收发器及其关联计算架中的一个或多个（或全部）之间经由光束的直接点对点链路。

在某些实施例中，每个FSO收发器包括许多FSO收发器（例如，大量FSO收发器）。在某些实施例中，每个FSO收发器包括各自集成到例如晶片或芯片粘合的板上的大量FSO收发器。在某些实施例中，集成的FSO收发器被集成在关联计算架之中、之上或附近的小垫中（例如，在某些实施例中在架顶部的小垫中）。

图1示出具有FSO互连的系统100，FSO互连使用直接点对点链路来耦合计算架（例如，数据中心中的计算架和/或服务器架）。但是，在某些实施例中，FSO互连使用间接链路（例如，经由镜）来耦合计算架。

图2示出根据某些实施例的系统200。在某些实施例中，系统200包括光源222（例如，在某些实施例中是激光器）、接收器242以及镜252。在某些实施例中，光源222是与第一计算架相关联的自由空间光学（FSO）收发器（例如，其被包括于计算架中、在计算架上、在计算架附近、在计算架周围、和/或在计算架下）。在某些实施例中，接收器242是与第二计算架相关联的自由空间光学（FSO）收发器（例如，其被包括于第二计算架中、在第二计算架上、在第二计算架附近、在第二计算架周围、和/或在第二计算架下）。根据某些实施例，光源222、接收器242和镜252提供一种经由光束262（例如，红外光束、发光二极管光束、激光束和/或红外线激光束）通信地耦合两个计算架的方式。光束262从光源222提供，被镜252反射并由接收器242接收。在某些实施例中，这提供通信地耦合两个或更多个计算架（例如，在某些实施例中，数据中心的两个或更多个计算架和/或服务器架）的间接链路。

图3示出根据某些实施例的系统300。在某些实施例中，系统300包括计算架302（例如，数据中心中的服务器架和/或计算架）和计算架304（例如，相同数据中心中的服务器架和/或计算架）。在某些实施例中，例如，自由空间光学（FSO）收发器322被包括于计算架302中、在计算架302上、在计算架302附近、在计算架302周围、和/或在计算架302下。在某些实施例中，例如，自由空间光学（FSO）收发器342被包括于计算架304中、在计算架304上、在计算架304附近、在计算架304周围、和/或在计算架304下。根据某些实施例，FSO收发器322和FSO收发器342提供一种经由反射光束362（例如，红外光束、发光二极管光束、激光束和/或红外线激光束）的镜352通信地耦合计算架302和计算架304的方式。在某些实施例中，镜352是安装在顶板上的镜。

在某些实施例中，系统300提供计算架302和计算架304之间的间接光束链路。尽管系统300被示为仅有两个计算架302和304，但是应注意，在某些实施例中，系统300包括更多的计算架及关联FSO收发器，其中每个FSO收发器促进其关联计算架与其它FSO收发器及其关联计算架中的一个或多个（或全部）之间经由光束的间接链路。在某些实施例中，某些FSO收发器经由直接点对点光束链路来耦合它们的关联计算架，某些FSO收发器经由使用镜352和/或多个镜的间接光束链路来耦合它们的关联计算架。

在某些实施例中，图3中的每个FSO收发器包括许多FSO收发器（例如，大量FSO收发器）。在某些实施例中，每个FSO收发器包括各自集成到例如晶片或芯片粘合的板上的大量FSO收发器。在某些实施例中，集成的FSO收发器被集成在关联计算架之中、之上或附近的小垫中（例如，在某些实施例中在架顶部的小垫中）。

根据某些实施例，自由空间光学链路消除了在重新配置计算架（例如，数据中心中的）时人参与的任何需要。根据某些实施例，与光纤电缆相关联的消极方面不是问题。

根据某些实施例，镜处于包括镜镜光束控制的方式。根据某些实施例，活动目标（镜或其它计算架）被获得和/或跟踪。在某些实施例中，自由空间束与芯片上光子电路一起使用（例如，对于波分复用和调制）。根据某些实施例，使用FSO技术允许I/O与计算一样快或比计算更快地缩放。

根据某些实施例，激光束可从镜（例如，顶板上的镜）反射，可与其它激光束交叉而没有任何干涉，和/或可由角度选择性光学器件在接收端检测到以去除多个束串扰。

根据某些实施例，高吞吐量互连在一到一百米的水平上实现，从而至少允许I/O成本减小为二分之一、I/O等待时间减小为六分之一和/或I/O带宽增大为一万倍，由此克服了传统光学互连的限制。某些实施例利用不需要用于安装和维持数据中心中的电缆敷设所需的大量人力而提供巨大的成本节省。某些实施例提供自动远程数据中心管理。另外，某些实施例提供高带宽和低等待时间，并且很可能生成新的编程模型和系统架构模型。

某些实施例使用自由空间光学（FSO）光束传输，该光束传输使用例如光束、激光、红外光、红外线激光、和/或发光二极管（LED）等。

某些实施例包括以下特征中的一个或多个：

1.一万个发射器/接收器（收发器）

2.安装在顶板上的镜

3.1-100米自由空间距离

4.半导体光学放大器（SOA）与波分复用和20GBps（每秒20吉比特）调制器的集成，模式耦合到低发散光束。这允许光学IC处理大量的多路复用光学信号且随后将所得的光学信号放大成适于自由空间传播和瞄准的低发散光束。

5.用于消除接收器处的空间光束重叠的定向光学器件

6.用于定向性的微机电系统（MEMS）镜/透镜

7.用于位置和定向的条形码镜

8.符合DARPA百亿亿次级I/O视觉和/或要求

9.各种发现机制

10.用于聚焦的橡胶顶板镜

11.用于快速旋转加密方案的安全密钥分布的量子光学

12.各种广播模式（例如，快速系统中断）

13.用于互连拓扑选择的空间链路（例如，架到附近的架以穿过房间链路）

14.眼睛安全

15.防振技术

16.对大气条件（例如，热流）的自适应控制

17.镜（例如，顶板镜）中的光学路径切换

18.通过光管连接的镜（例如，顶板镜）

19.具有用于提高功率的SOA的镜（例如，顶板镜）

20.具有无线功率的镜（例如，顶板镜）

21.移动到下面和/或底层底板路由的镜

22.使光束可见用于诊断和调试的技术

23.用于检测抽头（tapping）的光束安全机制

虽然在本文中已经将一些实施例描述为按照特定方式来实现，但根据一些实施例，可能不需要这些特定实现。

虽然参考特定实现方式描述了一些实施例，但根据一些实施例，其他实现方式也是可能的。另外，附图中所示的和/或本文描述的电路元件或其它特征的配置和/或顺序不需要以所示和所描述的特定方式安排。根据某些实施例很多其它配置也是可能的。

在附图中示出的每个系统中，在一些情况下的元件可分别具有相同附图标记或不同的附图标记，以暗示所表示的元件可能不同和/或相似。然而，元件是足够灵活的以具有不同的实现并与本文所示或所描述的系统中的部分或全部一起操作。附图中所示的各元件可以相同或不同。将哪个称为第一元件以及将哪个称为第二元件是任意的。

在说明书和权利要求书中，可使用术语“耦合”和“连接”及其衍生词。应当理解，这些术语并不旨在作为彼此的同义词。相反，在具体实施例中，“连接”用于指示两个或更多个元件彼此直接物理或电接触。“耦合”可能表示两个或多个元件直接物理接触或电接触。然而，“耦合”也可表示两个或更多个元件并未彼此直接接触，但是仍然彼此协作、彼此相互作用。

在本文中，算法一般被认为是导致期望结果的一系列自洽的动作或操作。这些包括物理量的物理操纵。通常但非必须，这些量采用能被存储、传输、组合、比较、以及以其他方式操控的电信号或磁信号的形式。已经证明将这些信号称为位、值、元素、码元、字符、项、数字等有时是方便的，主要是出于通用的原因。然而，应当理解，所有这些和类似术语都与适当的物理量相关联且仅仅是应用于这些量的方便标志。

一些实施例可在硬件、固件和软件中的一者或组合中实现。一些实施例还可被实现为存储在机器可读介质上的指令，其可由计算平台读取和执行以执行本文所述的操作。机器可读介质可包括用于存储或传送机器（例如，计算机）可读形式的信息的任何机制。例如，机器可读介质可包括只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、磁盘存储介质、光存储介质、闪存设备、电、光、声或其它形式的传播信号（例如，载波、红外信号、数字信号、发送和/或接收信号的接口等）等等。

实施例是本发明的实现或示例。说明书中对“实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”或“其它实施例”的引用表示结合这些实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一些实施例中，而不一定在所有的实施例中。各处出现的“实施例”、“一个实施例”或“一些实施例”不一定都指相同的实施例。

并非本文中描述和示出的所有组件、特征、结构、特性等等都需要被包括在特定实施例或多个实施例中。例如，如果说明书陈述“可”、“可能”或“能够”包括组件、特征、结构或特性，则不一定包括该特定组件、特征、结构或特性。如果说明书或权利要求书提到“一”或“一个”元件，则这并不意味着仅有一个该元件。如果说明书或权利要求书提及“附加”元件，这不排除有一个以上的附加元件。

虽然已经在本文中使用流程图和/或状态图来描述多个实施例，但本发明不限于本文中描述的那些图或相应的描述。例如，流程不必经过每个所示的框或状态或以本文所示和所述的完全相同的顺序进行。

本发明不限于本文中描述的特定细节。实际上，受益于本公开的本领域的技术人员将理解，可在本发明的范围内进行来自上述描述和附图的很多其它变型。因此，所附权利要求书（包括对其进行的任何修改）定义本发明的范围。

Claims (19)

1.一种装置，包括：

光收发器，其与计算架相关联，且适于通过空气向与第二计算架相关联的第二光收发器发射和/或从其接收一个或多个光束以在所述计算架与所述第二计算架之间传达信息。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光收发器是自由空间光学收发器。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个或多个光束经由所述光收发器和所述第二光收发器之间的一个或多个镜反射。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计算架是服务器架。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计算架和所述第二计算架位于数据中心中。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个或多个光束是一个或多个激光束、红外光束、红外线激光束、和/或发光二极管光束。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光收发器适于通过使用角度选择性光学来检测从所述第二收发器发射的一个或多个光束以消除多个束串扰。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光收发器适于通过空气向与第三计算架相关联的第三光收发器发射和/或从其接收一个或多个光束以在所述计算架与所述第三计算架之间传达信息。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光收发器耦合至所述计算架、位于所述计算架中、在所述计算架上、在所述计算架附近、在所述计算架周围、附连至所述计算架、和/或在所述计算架下。

10.一种系统，包括：

第一计算架；

第一光收发器，其耦合至所述计算架且适于通过空气发射和/或接收一个或多个光束；

第二计算架；

第二光收发器，其与所述第二计算架相关联且适于通过空气发射和/或接收所述一个或多个光束；

其中所述第一光收发器和所述第二光收发器经由所述一个或多个光束在所述计算架和所述第二计算架之间传达信息。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一光收发器和所述第二光接收器是自由空间光学收发器。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，进一步包括一个或多个镜，其中所述一个或多个光束经由所述第一光收发器和所述第二光收发器之间的所述一个或多个镜反射。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述一个或多个镜中的至少一个是安装在顶板上的镜。

14.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一计算架是服务器架，且所述第二计算架是服务器架。

15.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一计算架和所述第二计算架位于数据中心中。

16.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述一个或多个光束是一个或多个激光束、红外光束、红外线激光束、和/或发光二极管光束。

17.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一光收发器适于通过使用角度选择性光学来检测从所述第二收发器发射的一个或多个光束以消除多个束串扰。

18.如权利要求10所述的系统，其特征在于，进一步包括：

第三计算架；以及

与所述第三计算架相关联的第三光收发器；

其中所述第一光收发器和/或所述第二光收发器适于通过空气向所述第三光收发器发射和/或从其接收一个或多个光束以在所述第一计算架、所述第二计算架和/或所述第三计算架之间传达信息。

19.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一光收发器耦合至所述第一计算架、位于所述第一计算架中、在所述第一计算架上、在所述第一计算架附近、在所述第一计算架周围、附连至所述第一计算架、和/或在所述第一计算架下。

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