高速光通訊資料中心概述：支撐未來數位基礎設施的技術創新

下一代數據中心的基本要素

隨著數位社會的持續快速發展，數據中心的作用變得越來越重要。下一代數據中心所需的關鍵因素之一是高速性能。雲計算和 AI 的廣泛採用導致數據處理需求急劇增加，從而產生了對更快數據傳輸和處理的需求。

由於數據中心通常消耗大量電力，因此節能對於減少對環境的影響至關重要。還需要可擴充性以靈活處理未來數據量的增長、系統穩定性和高級安全性，以應對網路攻擊和資訊洩露的風險。最重要的是，降低運營成本並實現高性能非常重要。

高速光通信數據中心正在世界各地構建，作為滿足下一代數據中心的這些要求的強大系統。

什麼是高速光通信數據中心？

高速光通信數據中心通過使用光纖和光信號進行數據傳輸和處理，補充或取代了通過傳統銅線進行的基於電信號的通信。通過光纖連接伺服器、機架和數據中心，通過光信號傳輸信息，實現高速、大容量的資訊傳輸。

高速光通信數據中心不僅有望為 AI 和雲服務帶來好處，還將為金融、醫療 / 保健、娛樂和汽車等其他行業帶來好處。

例如，在金融領域，高頻交易、複雜的金融模型計算以及其他需要低延遲和大容量數據處理的任務將實現更高的效率。在醫療和保健領域，將能夠即時發送和處理大量醫療數據（用於成像診斷等），我們可能會看到遠端醫療和使用 AI 的診斷支援等領域的進展。在娛樂行業，高質量視頻流和雲遊戲等服務將變得更加容易獲得。同時，在汽車行業，隨著自動駕駛技術的發展，高速光通信數據中心將在實現高速、低延遲數據處理方面發揮關鍵作用，以實現自動駕駛汽車和基於雲的系統之間的實時協調。

高速光通信數據中心的主要特性

高速光通信數據中心中使用的光信號在真空中每秒傳輸約 300,000 公里*1。雖然光纖的速度略慢，但仍比銅線中的電信號達到的每秒 200,000 公里要快。此外，由於光通信的衰減比電信號小，因此非常適合長距離傳輸，並且可以顯著提高數據中心內外的通信速度。
*1歡迎 – BIPM（搜索 – BIPM）

光纖通訊還具有其他優點。光纖提供的頻寬是電纜的數百倍，使其能夠一次傳輸更多資料。此外，一根光纖可以利用波分複用 (WDM) 技術同時傳輸多個不同波長的光訊號（稍後將討論）。這使得資料傳輸容量顯著提升。

光的使用還可以降低數據中心的功耗。與電纜相比，光纖的信號衰減更小，因此在長距離傳輸過程中的功率損失更小。此外，由於光學設備產生的熱量比電氣設備少，因此也可以減少冷卻系統的負載。最後，在數據中心直接使用光信號減少了電到光轉換的次數，從而最大限度地減少了轉換過程中的功率損失。由於這些因素，與傳統數據中心相比，高速光通信數據中心在某些條件下可以實現 30% 或更多的節能。*2
*2未來光電融合技術 （JP） 實現的未來半導體戰略和下一代光數據中心

與傳統數據中心相比，高速光通信數據中心只需添加新光纖即可更輕鬆地擴展網路容量，從而靈活應對數據量的快速增長。光纖比電纜更細、更輕，因此可以在有限的空間內運行更多的系統。

由於這些特性，高速光通信數據中心備受期待，將成為下一代數據處理的基礎。

數據中心間光互連的優勢

光通信技術在相距數十或數百公里的數據中心之間的通信中發揮著重要作用。光學互連數據中心可在地理位置分散的數據中心之間實現高速、大容量的數據傳輸。距離越遠，光互連的優勢就越明顯，尤其是在高頻寬和低延遲方面。使用為光通信開發的波分複用 （WDM） 和數據傳送速率為 400 Gb/s （400 Gbps）*3 的 400G ZR 技術，可以以極低的延遲與遠端數據中心進行通信。
*3這項技術將實現被稱為 400G ZR 的下一代高速網路嗎？|銳捷網路日本 （JP）

從資訊安全的角度來看，光互連也具有優勢。光信號的外部攔截非常困難，因為它們不受電磁干擾的影響，並且光纖的信號洩漏極低。光信號與加密高度相容，未來通過光纖實現量子密碼學通信具有巨大潛力。由於這些特性，光互連是需要高級別安全性的組織的數據中心的理想選擇。

下一代光通訊的DWDM傳輸技術

波分複用 （WDM） 技術正在顯著提高高速光通信數據中心的通信速度。WDM 允許通過單根光纖同時傳輸多個不同波長的光信號。近年來，還開發了一種稱為DWDM（密集波分複用）的更密集版本的 WDM。在某些情況下，DWDM可以通過單根光纖同時傳輸多達160個或更多波長的光信號。這些信號中的每一個都具有每個波長 100 Gbps*4 或更高的傳輸速度，因此可以通過一根光纖每秒傳輸數 TB 的信號。與傳統的 WDM 技術相比，這意味著傳輸容量顯著增加。
*4 WDM 技術簡介：支援下一代通信的波分復用的基礎知識和應用 | newji （JP）

在DWDM傳輸技術的發送端，雷射產生不同波長的光，資料被調製到各個波長上。這些訊號由一個稱為MUX濾波器的組合設備進行複用，並沿著單根光纖發送。在接收端，一個稱為DEMUX濾波器的解復用器將組合後的波長分離回原始資料。
DWDM的主要優勢在於能夠在利用現有光纖基礎設施的同時大幅提升傳輸容量。這使得輕鬆擴展通訊網路成為可能，同時充分利用現有基礎設施，大幅提高性價比。

數位相干傳輸技術實現高速通信

除了WDM技術外，數位相幹傳輸是另一種高速光通信技術，於2010年左右開始採用。數位相幹傳輸技術是一種先進的調製方法，它同時使用光通信信號的幅度和相位來一次傳輸更多資訊。與傳統的直接檢測方法相比，該技術能夠以更高的速度和更長的距離進行光通信。

過去，光通訊使用光開關鍵控發送數位訊號。這類似於打開或關閉手電筒以摩斯電碼發送訊息。相較之下，數位相干傳輸可以透過改變相位（手電筒光的顏色）和振幅（強度）來在光中包含更多資訊。具體來說，發送端在發送光訊號之前，會調製光電磁波的高度（振幅）和形狀（相位）。在接收端，光檢測設備將訊號轉換為電訊號，並執行數位訊號處理以校正傳輸過程中可能出現的失真，從而高精度地恢復原始訊號。
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數位相幹技術的一個關鍵優勢是它能夠高速傳輸每個波長 100 Gbps 或更高的速度，從而能夠在有限的頻寬內傳輸更多資訊。此外，由於其信號衰減低，它已成為進行長距離傳輸的高速光通信數據中心的必要條件。

前景廣闊的新技術：共封裝光學器件 （CPO）

支援下一代高速光通信數據中心的核心技術之一是稱為共封裝光學器件 （CPO） 的新平臺。CPO 是一種將電子晶元和光學引擎集成到單個封裝中的先進技術。這項技術可以顯著提高數據中心的通信速度，同時顯著降低功耗。

CPO 的優勢之一是高速通信。最大限度地減少電子晶元和光學引擎之間的距離，可實現極高速的數據傳輸。此外，更短的電線長度和降低的光信號和電信號之間的轉換頻率顯著降低了功耗。此外，將多種功能集成到單個封裝中可實現整體系統小型化和高密度化。CPO 技術可以將每個晶元的頻寬擴展到每秒數 TB，這提高了人們對它在支援下一代高速光通信數據中心方面發揮核心作用的期望。

如上所述，高速光通信數據中心是功能強大的系統，可提供下一代數據中心所需的許多元素，例如高速、高容量、低延遲、能源效率和高安全性。DWDM傳輸、數位相幹技術和 CPO 等先進技術的引入將進一步提高性能。

隨著數位社會的進步，對數據處理的需求不斷增加，高速光通信數據中心無疑將繼續發展成為關鍵的基礎設施元素。