数据中心与云端运算的奇幻世界

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数据库，能找出有效的治疗药物。可看出此族群的重要角色。

甚麽是高效能运算？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，主要的应用就在数据中心及云端运算，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信号，会因为卫星与我们手机相对距离的不同，使得在信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数据输进，手机将数据传到云端数据中心，经由数据中心的运算，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)数据中心，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260亿美元在数据中心的建置。数据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%是在数据中心内部的传输，是属于短距离的，而其他的才是数据中心之间，以及其与用户间的传输。

数据中心内部主要的设备包括了，处理电信号传输及运算的服务器(server)、处理光信号与电信号间转换的交换器(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信号模块(optical T/R module)，也可以独立出来。

一般而言，在数据运算、交换、储存、甚至短距离的传输(如机柜内rack)，都是使用电的信号；而在较长距离的传输上(如数据中心内)，到更线上离的传输则使用光的信号。全球数据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%。这其中服务器及数据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，最先进数据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)在数据中心内，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。所以数据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，这就得从不同信号的调变方式入手，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信号，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接收器(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，以及处理电信号的IC，整合在同一个平台上，以达到微小化以及减少信号在传输上的损耗。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，可以整合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，这也是为什麽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年的惨澹经营，终于拨云见日而扬眉吐气了。

数据中心每年如此巨大的投资金额，并不亚于无线基站建置所需的资金。台湾除了台积电提供了先进的晶圆制程技术，在其他相关的设备，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基站上发酵，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，与数据中心或5G的营运商充分配合，创造出另一个产业的春天！