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资料中心与云端运算的奇幻世界

  • 詹益仁

资料中心每年耗费巨大的投资金额,台厂在其中也扮演重要的角色。Intel

每回在台积电的法说会上,使用其最先进制程的用户中,通常有两个族群,一个是我们所习知的智能型手机族群,另一个就是我们不太熟悉的高效能运算(HPC)族群了。

最近因为新冠病毒全球的蔓延,在美国紧急成立了COVID-19 (新冠肺炎) HPC联盟,希望连结各单位超级运算的功能及资料库,能找出有效的治疗药物。可看出此族群的重要角色。

甚么是高效能运算?在HPC族群中主要的产品就是CPU、GPU、AI等芯片等,所代表的公司包括超微(AMD)、NVIDIA、思科(Cisco)、英特尔(Intel)、赛灵思(Xilinx)等,主要的应用就在资料中心及云端运算,而这个领域所使用的技术都是最先端的。

各位都有使用手机做GPS导航的经验,首先在我们头顶上都有三颗以上的GPS卫星,这三颗卫星所发出的同步讯号,会因为卫星与我们手机相对距离的不同,使得在讯号接收上产生时间差,再加上这三颗卫星的座标,就可以很精准地定位出手机的位置。

如果我们要做目的地的导航,只要将现所在位置及目的地资料输进,手机将资料传到云端资料中心,经由资料中心的运算,就可以告诉我们最省时的路径,若途中走错路或临时有更好路径,也会经由不断地运算告诉我们最佳的选择。

目前全球有超过600座的超大型(hyperscale)资料中心,并以每年约10%的速度增加,预估今年的投资额会超过2000亿美元。亚马逊(Amazon)、Google、微软(Microsoft)、Facebook及阿里巴巴就包办了前五大,亚马逊去年计投资了260亿美元在资料中心的建置。资料中心一年数据的传输总量今年预估会达到15 Zettabytes,并以每年20%的速度成长;而一个Zettabyte是十亿倍的Terabyte。这些数据量75%是在资料中心内部的传输,是属于短距离的,而其它的才是资料中心之间,以及其与用户间的传输。

资料中心内部主要的设备包括了,处理电讯号传输及运算的服务器(server)、处理光讯号与电讯号间转换的交换器(switch)、以及储存数据的记忆模块(storage);另外在交换器内作为发射及接收光讯号模块(optical T/R module),也可以独立出来。

一般而言,在资料运算、交换、储存、甚至短距离的传输(如机柜内rack),都是使用电的讯号;而在较长距离的传输上(如资料中心内),到更远距离的传输则使用光的讯号。全球资料中心的耗电量是相当惊人的,约占人类使用电力的1.5%,在美国甚至达到了2.5%。这其中服务器及资料中心的冷却系统就各占了四成多的电力,剩下的才是数据储存及光通讯模块。

毫无疑问,最先进资料中心所使用的科技都是最先进的。服务器内的CPU、GPU及AI芯片几乎都是使用7纳米以下制程技术所生产,包括在交换器所使用的ASIC也是如此。一方面要求更高的运算速度,另一方面也是希望节省电力。所使用的固态硬盘(SSD)储存,也是最先进128层堆叠的NAND,每一个固态硬盘模块也超过10 Tera bytes的容量。光通讯模块的传输速度也要求到400 Gbps (giga bits per sec)在资料中心内,而目前在主干光纤网络的速度都在100 Gbps以下。甚至于在电源的供应上,也煞费苦心,就连能增加0.1%的转换效率,都是锱铢必较。所以资料中心对于新技术及新产品的开发是一个最好的驱动来源,一点也不为过。

就以光通讯模块为例,其所要求的传输量这几年是呈倍数的成长。就如同在无线通讯中,设计者总希望在有限的带宽中能够承载更多的数据量,这就得从不同讯号的调变方式入手,其中就包括了改变频率(波长)、振幅以及相位(phase)。

在光通讯中也使用了相同的技巧,如在一条光纤中承载了不同波长的光讯号,而彼此之间并不会互相干扰,这就是波长分波多工WDM (wavelength division multiplexing),以提高每条光纤内的数据传输量。调变光波的强度/振幅(pulse amplitude modulation;PAM),可以使原先一个符号承载1 bit的数据,增加到2 bit以上。如果使用相位调变(phase shift keying;PSK),则有机会承载更多位元的数据,同时增加了在每条光纤的传输量,以满足不断增加的需求。

在400 Gbps的光纤传输系统内,也开始使用矽光子(Si photonic)的技术。矽光子技术是使用纯熟的矽半导体制程平台,将光通讯所需使用的被动元件如波导管(wave guide)、分割器(splitter)、结合器(combiner)及相位调变器(phase modulator),甚至于主动元件的光适配器(photo-detector),制作在矽基板或是SOI (Si on insulator)的基板上。

矽光子技术不仅提供了光学元件外,更可以将半导体雷射芯片,以及处理电讯号的IC,集成在同一个平台上,以达到微小化以及减少讯号在传输上的损耗。于此矽光子所扮演的角色就如同在3DIC中的Si interposer一般,利用TSV (through Si via)将不同基板的各式元件,可以集成在一个平台之上的微小化封装技术。未来在400 Gbps以上的光通讯模块,矽光子技术将越形重要,这也是为什么这几年大公司拼命在买矽光子的公司,而矽光子技术在经过近20年的惨淡经营,终于拨云见日而扬眉吐气了。

资料中心每年如此巨大的投资金额,并不亚于无线基地台建置所需的资金。台湾除了台积电提供了先进的晶圆制程技术,在其它相关的设备,如服务器、交换器、SSD储存模块,及光通讯模块,台厂也都扮演重要的角色。

这几年的趋势是不断地去中间化,导致白牌 (white box)专业代工厂的兴起。以服务器为例,台厂在OEM 及白牌加起来的全球市占率超过九成。而去中间化也逐渐在5G基地台上发酵,在此浪潮下受到影响的厂商,会是如Nokia、Ericsson、Cisco、HP、Dell、华为等的品牌设备大厂。台湾的厂商夹其在技术上深厚的实力,虽不具有品牌优势,但必然能在此去中间化的过程中,与资料中心或5G的营运商充分配合,创造出另一个产业的春天!

曾任中央大学电机系教授及系主任,后担任工研院电子光电所副所长及所长,2013年起投身产业界,曾担任汉民科技策略长、汉磊科技总经理及汉磊投资控股公司执行长。