CN115378886A - 混合光电交换机 - Google Patents

Abstract

本公开涉及混合光电交换机。一种用于网络交换机的设备，其包括N个输入端口；以及电气块，所述电气块包括被配置为在电域中路由信号的多个电气交换机。每个电气交换机包括M个输入端口，并且所述设备还包括耦合至所述电气块的光学块。所述光学块被配置为在光域路由信号。光学块的配置和电气块的配置至少基于N个输入端口的数量。

Description

混合光电交换机

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年5月19日提交的希腊专利申请No.20210100334的权益，该申请的公开内容通过引用以其全部内容合并在此。

技术领域

本公开总体上涉及混合光电交换机，并且更具体地涉及用于联网***的混合光电交换机。

背景技术

数据中心可以包括特定拓扑中的多个网络交换机，如胖树拓扑、纤细飞行(slimfly)拓扑、龙飞(dragonfly)拓扑和/或类似物。拓扑中的网络交换机的规范和组成影响数据中心的总体网络性能(例如，带宽能力)。

发明内容

在说明性实施例中，一种用于网络交换机的设备包括N个输入端口、电气块，该电气块包括被配置成用于在电域中路由信号的多个电气交换机。每个电气交换机包括M个输入端口，并且所述设备还包括耦合至所述电气块并且被配置为在光域中路由信号的光学块。光学块的配置和电气块的配置至少基于N个输入端口的数量。

在另一个说明性实施例中，半导体封装包括基板、N个输入端口、基板上的并且被配置成用于在电域中路由信号的电气块。电气块包括多个电气交换机，并且每个电气交换机包括M个输入端口。所述半导体封装还包括光学块，所述光学块在所述基板上且通信地耦合到所述电气块，所述光学块被配置为在光域中路由信号。光学块的配置和电气块的配置至少基于N个输入端口的数量。

在另一个说明性实施例中，一种***包括配置在分级网络拓扑中的多个网络设备。所述网络设备中的至少一个包括N个输入端口以及电气块，所述电气块耦合至所述N个输入端口并且包括被配置为在电域中路由信号的多个交换机，其中每个交换机包括M个输入端口。网络设备中的至少一个还包括耦合至电气块并且被配置为在光域中路由信号的光学块。光学块的配置和电气块的配置基于N个输入端口的数量和M个输入端口的数量。

在此描述了附加特征和优点并且从以下描述和附图中将是显而易见的。

附图说明

结合附图描述了本公开，这些附图不一定按比例绘制：

图1示出了根据至少一个示例实施例的联网***的框图；

图2示出了根据至少一个示例实施例的可以采用混合光电交换机的网络拓扑；

图3示出了根据至少一个示例实施例的可以采用混合光电交换机的另一个网络拓扑；

图4示出了根据至少一个示例实施例的可以采用混合光电交换机的另一个网络拓扑；

图5示出了根据至少一个示例实施例的混合光电交换机；

图6示出了根据至少一个示例实施例的另一个混合光电交换机；

图7示出了根据至少一个示例实施例的另一个混合光电交换机；以及

图8示出了根据至少一个示例实施例的另一个混合光电交换机。

具体实施方式

随后的描述仅提供了多个实施例，并且不旨在限制权利要求书的范围、适用性或配置。相反，随后的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的实施例的有效描述。应当理解的是，在不背离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

从以下描述中，并且由于计算效率的原因，将认识到，***的组件可以被布置在组件的分布式网络内的任何适当位置处，而不影响***的操作。

此外，应理解的是，连接这些元件的各个链路可以是有线的、迹线的、或无线的链路、或其任何适当的组合、或能够与从所连接的元件供应和/或传递数据的任何其他适当的已知或以后开发的一个或更多个元件。例如，用作链路的传输介质可以是用于电信号的任何适当的载体，包括同轴电缆、铜线和光纤、PCB上的电迹线等。

如在此使用的，短语“至少一个”、“一个或更多个”、“或”以及“和/或”是在操作中既是结合的又是析取的开放式表达。例如，表述“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或更多个”、“A、B或C中的一个或更多个”、“A、B和/或C”和“A、B或C”中的每一个表示单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、或A、B和C一起。

在此所使用的术语“确定”、“计算(calculate)”和“计算(compute)”及其变化可互换地使用，并且包括任何适当类型的方法、过程、操作或技术。

在此将参照可以是理想化配置的示意性图示的附图描述本公开的各个方面。

除非另外定义，否则在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解，术语(例如在常用字典中定义的那些)应被解释为具有与它们在相关领域和本公开的背景下的含义一致的含义。

如在此使用的，单数形式“一个”、“一种”、以及“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。将进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括(include)”、“包括(including)”、“包括(includes)”、“包含(comprise)”、“含有(comprises)”和/或“含有(comprising)”时，其指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。术语“和/或”包括一个或更多个相关列出项的任何和所有组合。

数据中心是互联网的存储和数据处理集线器。云应用的大规模部署使得数据中心在大小上呈指数地扩展，刺激了比可以应对数据中心内的不断增长的数据流量更快的交换机的发展。当前最先进的交换机能够通过采用配备有256个数据通路的专用集成电路(ASIC)形式的电气交换机来处理12.8Tb/s的流量，每个数据通路工作在50Gb/s。这种交换ASIC通常消耗多达400W，并且附接至每个ASIC的光收发机接口的功耗是相当的。为了跟上流量需求，交换机容量大约每两年翻倍。迄今为止，通过利用制造(例如，CMOS技术)方面的进步(由摩尔定律共同描述(即，观察到密集集成电路中的晶体管数量大约每两年翻倍))，这种快速扩展成为可能。然而，近年来，有明显迹象表明摩尔定律正在减缓，这引起对维持交换机容量的目标缩放速率的能力的担忧。因此，正在研究替代技术。

光学交换机由于具有非常高的数据容量和低功耗的技术潜力，因此是能够实现联网进步的一种方案。光学交换机的特征在于光学输入端口和输出端口，并且能够根据一个或更多个控制信号(电或光控制信号)按需将耦合到输入端口的光路由到预期的输出端口。信号的路由在光域中执行，即不需要光-电和电-光转换，因此，旁路了对功耗收发机的需要。数据的报头处理和缓冲在光域中是不可能的，因此无法采用分组交换(因为其在电气交换机中实现)。相反，使用电路交换范例：为连接在光学交换机的输入和输出上的两个端点之间的通信创建端到端电路。

发明构思提出了一种混合式光/电(或光电)交换***，该***可以采取具有电气交换机和光学交换机的集成盒或封装的形式。示例实施例可将混合交换机用于机箱交换***(例如，导向器交换机)，其中交换ASIC作为刀片/线卡***。可以在最常见的数据中心互连拓扑(例如，胖树、Slim Fly和Dragonfly+)中使用导向器交换机。此外，发明构思提出将这样的混合交换***放置在网络的“中间”(例如，替换边缘/机架顶部(TOR)层和聚合层)。

发明构思至少包括以下特征：提供“盒中的混合交换机；”促进导向器交换机和数据中心网络的可扩展性；降低导向器交换机/交换***的功耗；提供用于带宽引导概念的直接应用；提供对光学交换机的更方便和高效的控制；允许扩展机架顶部(ToR)交换机端口计数；通过在背板上提供带宽和更高速率以及通过减少光/电/光转换来提高未来适用性；以及减少布线。

图1示出了根据至少一个示例实施例的***100。***100包括数据中心104、通信网络108和一个或更多个网络设备112。在至少一个示例实施例中，数据中心104对应于网络设备的集合，诸如与服务器或计算节点的集合连接的网络交换机(例如，以太网交换机)。数据中心104可遵循联网拓扑(例如，层级联网拓扑)，诸如胖树拓扑、纤细飞行拓扑、龙飞拓扑等。数据中心104在网络交换机和其中的服务器之间路由流量，并且数据中心104中的拓扑的至少一个层耦合到通信网络108以允许联网流量在数据中心104和网络设备112之间流动。如下面更详细描述的，拓扑的一个或更多个层可包括根据发明构思的一个或更多个混合光电交换机。

可以用于连接数据中心104和网络设备112的通信网络108的示例包括互联网协议(IP)网络、以太网、无限带宽(IB)网络、光纤通道网络、互联网、蜂窝通信网络、无线通信网络、其组合(例如，以太网光纤通道)、其变体等。

该一个或更多个网络设备112可以包括以下中的一项或更多项：个人计算机(PC)、膝上型计算机、平板计算机、智能电话、服务器、服务器集合、和/或用于通过通信网络108发送和接收信号的任何合适的计算设备。在至少一个示例实施例中，一个或更多个网络设备112对应于与数据中心104类似或相同的另一个数据中心。

如上所述，数据中心104和/或网络设备112可以包括用于执行计算任务(例如，与在内部和/或通过通信网络108控制数据流相关联的任务)的存储设备和/或处理电路。这种处理电路可包括软件、硬件或其组合。例如，处理电路可包括包含可执行指令的存储器和执行存储器上的指令的处理器(例如，微处理器)。存储器可对应于被配置为存储指令的任何合适类型的存储器设备或存储器设备的集合。可使用的合适存储器设备的非限制性示例包括闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、其变体、其组合或其类似者。在一些实施例中，存储器和处理器可以被集成到共同的设备中(例如，微处理器可以包括集成存储器)。除此之外或作为另外一种选择，处理电路可包括硬件，诸如专用集成电路(ASIC)。处理电路的其他非限制性示例包括集成电路(IC)芯片、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、逻辑门或晶体管的集合、电阻器、电容器、电感器、二极管等。处理电路中的一些或全部可设置在印刷电路板(PCB)或PCB的集合上。应当理解，任何适当类型的电气组件或电气组件的集合可以适用于包括在处理电路中。

此外，虽然未明确示出，但是应当理解，数据中心104和一个或更多个网络设备112可以包括用于促进彼此之间和与***100的其他未示出的元件之间的有线和/或无线通信的一个或更多个通信接口。

图2-4示出了根据示例实施例的用于数据中心的拓扑的各个示例。如下面更详细讨论的，根据示例实施例的混合光电交换机可用于代替所示拓扑内的各层中的电气交换机。

图2示出了可以采用混合光电交换机的拓扑200。拓扑200对应于具有多层交换以支持大量服务器的胖树拓扑。在图2中，胖树拓扑200包括三层：边缘层(其包括ToR交换机)、聚合层和核心层。来自服务器的流量在边缘层聚合(服务器和服务器机架未示出，但通常在所示边缘层的底部连接到边缘层)。在图2中，聚合层和核心层提供用于不同机架之间的通信的能力。

在图2中，每个所示出的框(例如，主干(spine)1、主干2、聚合1、聚合2等)可以对应于包含一个电气交换设备(例如，电气交换ASIC)的设备。在相关技术***中，胖树拓扑可以在所有层(边缘、聚合、核心)上使用相同的电气交换设备。例如，每个交换设备可以是1U交换机，其中1U是指机架安装式交换机和/或服务器的工业标准尺寸。不同层的交换机之间的互连可以使用以可插拔形状因子(也称为“可插拔”)实现的有源光缆和光收发机通过光链路来实现。

至少一个示例实施例提出通过在核心层交换机(主干1至4)保持电时用混合光电交换机替换边缘层交换机和聚合层交换机来修改胖树拓扑200。即如图的右侧所示，根据发明构思的混合光电交换机可以替换电气交换机的整个pod。通常，pod(也称为传送点(pointof delivery))通常应被理解为是对所讨论的拓扑可重复的网络元件(例如，交换机和/或服务器)的集合。仍参照图2的最右侧，混合光电交换机在边缘层可包括与不采用混合光电交换机的情形相同数量的电气交换机，但是电气交换机在混合光电交换机中与光学交换机集成。如针对混合光电交换机所示，聚合层电气交换机可以由光学交换机替换，光学交换机在混合光电交换机中与边缘层的电气交换机集成。尽管边缘层保持电气交换ASIC，但这些电气交换机与光学交换机共同封装在单个“盒”中，这实现了功耗降低、高速度、效率和/或信号质量。

图3示出了可以采用混合光电交换机的拓扑300。例如，在至少一个示例实施例中，用混合光电交换机来替换所示出的导向器交换机(见图的最右侧)。在没有混合光电交换机修改的情况下，应当理解，图3示出了通过采用模块化机箱或模块化交换***的用于图2中的核心层和聚合层的替代方法。即，图3中所示的拓扑仍然是类似于图2的胖树拓扑，但是核心层和聚合层被集成到为层连接提供背板的单个设备(导向器交换机)中。模块化机箱交换***可以避免与功耗可插拔的以及与其相关联的光到电到光(O/E/O)转换相关联的一些缺点。此外，模块化机箱***可以更好地分配开销。在没有混合光电交换机修改的情况下，导向器交换机可以包括与图2中的未修改拓扑的聚合层和核心层相同数量的电气交换ASIC。此外，导向器交换机还在聚合层和核心层内提供与图2中相同或相似的连接性，但代替使用可插拔和光纤来连接聚合层和核心层，导向器交换机使用电背板。用于拓扑300中的模块化机箱***的端口数量可以在800-1600的范围内并且拓扑300的示例形状因子是29U。

如上所述，发明构思提出用混合光电交换机来替换拓扑300中的导向器交换机，这导致优于仅使用导向器交换机的相同拓扑的某些优点。例如，随着服务器的带宽增加，电气交换机的带宽也应增加。对于导向器交换机，这意味着应当使用更多的电气交换ASIC，并且每个ASIC应当支持更高的带宽，这两者都对应于成本增加和功耗增加。此外，由于信号劣化效应，导向器交换机的电背板不能支持更高的数据速率是可能的。在拓扑300中用混合光电交换机替换图3中的导向器交换机可避免在背板变为光学时出现的附加O/E/O，同时仍提供足够的带宽。

图4示出了根据示例实施例的可以采用混合光电交换机的另一个拓扑400。

图4示出了启用带宽引导方案的拓扑400，其中硅光子光学电路交换机(SiP OCS)可以用于通过以缓慢的方式重新配置来在适当的ToR交换机之间引导带宽相对长的时间段。这样，与网络的较低层相比，到达网络的较高层的带宽逐渐减少。图4中所示的电气分组交换机可以对应于电气交换ASIC。如图4所示，拓扑400可通过用混合光电交换机替换ToR和SiP OCS交换机来修改，同时仍实现带宽引导能力(见图的最右侧)。在另一个示例中，混合光电交换机可以代替每个pod来为ToR和聚合层提供一个设备解决方案。这在图4中以Pod 3示出，Pod 3包括ToR交换机、光学SiP OCS交换机和聚合层交换机。

图5-8中的混合光电交换机可用硅光子学来实现。即，根据合适的硅光子技术，在图5-8中描述的电气交换机和/或光学交换机可形成在硅晶圆内和/或硅晶圆上。然而，示例实施例不限于用硅光子技术实现混合光电交换机，并且本文中所描述的混合光电交换机可用任何合适的技术实现。

尽管图2-4示出了混合光电交换机(例如，根据图5-8的混合光电交换机)可以被放置在特定拓扑内的具体示例，但是应当理解的是，示例实施例不限于此，并且可以在任何合适的数据中心拓扑的任何合适的层处采用混合光电交换机。此外，应当理解，虽然图2-4示出了混合光电交换机对特定pod或特定交换机的替代，但是可以跨整个拓扑执行该替代。例如，拓扑200被修改，使得混合光电交换机被用于拓扑中的每个pod，而不仅仅是如图所示的最右pod。相同的构思适用于图3和4中的拓扑300和400，其中混合光学交换机在整个拓扑上代替拓扑的一个或更多个层。

图5-8示出了根据示例实施例的混合光电交换机的各种示例。贯穿本说明书，术语“电气交换机”、“电气交换ASIC”、“ASIC”及其变体可互换地使用。尽管图5-8示出了电气块中的电气交换机由ASIC体现，但示例实施例不限于此，并且电气交换机可以利用能够在电域中路由信号的任何合适的硬件和/或软件来实现。此外，处于混合光电交换机的一个或更多个层的一组光学交换机在本文中可以称为光学块，而处于混合光电交换机的一个或更多个层的一组电气交换机可以称为电气块。

图5-8中示出的每个混合光电交换机将典型网络交换机拓扑的电气交换ASIC中的至少一些替换成光学交换机。这里，应当理解，图5-8中的混合光电交换机可以分别对应于数据中心104中的网络单元，所述网络单元可以包括机架安装的外壳，该机架安装的外壳包含具有分立的电子组件和光子组件的印刷电路板(PCB)或者使用已知的封装概念(例如，板载光学器件、MCM(多芯片模块)等)共同封装的电子组件和光子组件。在至少一个示例实施例中，混合光电交换机包括共同封装在一起的电气交换机(ASIC)和光学交换机。即，所示的ASIC和光学交换机可以安装在同一PCB(或同一硅晶圆)上，并且通过用于光和/或电通信的合适设备(例如，用于光通信的波导(例如，硅波导)和用于电通信的铜迹线)彼此耦合。图5-8中所提出的设计可用于图2-4中所描绘的拓扑中的一个或更多个中，且可取决于整个***的要求而提供广泛范围的不同能力和功能。

通常，图5-8中所示的ASIC对应于在电域中路由信号的电气交换机，而图5-8中所示的光学交换机(有时缩写为“Opt.Sw.”)在光域中路由信号。即，ASIC对应于通过路由电信号在电域中操作的电气交换机，而光学交换机通过路由光信号在光域中操作。

尽管未明确示出，但电气交换机和/或光学交换机可以包括使得能够在相应域中路由信号的合适硬件和/或软件。

例如，电气交换机可以包括接收机，该接收机接收光信号并将光信号转换成用于在该电气交换机内路由的电信号。例如，电气交换机的接收机可包括互阻抗放大器(TIA)、光电检测器和控制器，其全部用于将光信号转换为电信号。每个电气交换机可以还包括发射机，这些发射机将在该电气交换机内路由的电信号转换成用于输出到该***内的另一个交换机(光或电)的光信号。例如，电气交换机的发射机可包括光源、调制器以及控制调制器和光源的控制器。在至少一个示例实施例中，接收机/发射机对被集成到单个收发机中。每个电气交换机还可以包括用于在电气交换机内路由电信号的内部交换电路。

光学交换机可以包括用于在光域中路由信号的硬件和/或软件。因此，在一个实施例中，光学交换机可以包括承载光信号的输入光纤和输出光纤以及适于在光学交换机内路由光信号的一个或更多个设备。例如，用于路由光信号的一个或更多个设备可以包括一个或更多个可移动镜(例如，MEMS镜)，所述一个或更多个可移动镜被控制为以将光从输入光纤引导到期望的输出光纤的方式移动或者以将光从一个波导迫使或引导到另一个波导中的方式移动。光学交换机可包括用于放大光以补偿由光学交换机引入的传播和散射损耗的一个或更多个设备。在至少一个示例实施例中，到ASIC的信号输入和输出是光学的，意味着连接到电气交换机的每个光学交换机路由从电气交换机接收的光信号，而不使用将电信号转换成光信号以用于在光学交换机内路由的硬件和/或软件。然而，示例实施例不限于此，并且如果需要(例如，如果输入信号和/或输出信号是电信号)，光学交换机可以包括电到光到电转换硬件和/或软件。

在图5-8中，M端口ASIC应被理解为具有M个输入端口的电气交换机(ASIC)。图5中的M个输入端口可以在ASIC的底侧包括M/2个输入端口，其与外部世界或数据中心拓扑的另一层接口，以及在ASIC的顶侧包括M/2个输入端口，其耦合到光学交换机。图6-8中的M端口ASIC可在ASIC的底侧包括M个输入端口，其中这些M个输入端口与外部世界或数据中心拓扑的另一层接口。在图5-8中，N可以指用于每个示出的混合光电交换机的输入端口的总数(或输出端口的总数)。如可理解的，M通常小于N，因为通常存在构成混合光电交换机的输入端口的多个ASIC。

此外，取决于具体设计，在电气交换机的一侧的输入端口的数量可以等于在该电气交换机的同一侧或在该交换机的相反侧的输出端口的数量。

图5示出了根据至少一个示例实施例的混合光电交换机500。提供以下相关技术示例以便提供对混合光电交换机500的优点的更好理解。在典型的导向器交换机中，图5所示的底部ASIC组通过电背板连接到顶部ASIC组(图5中未示出顶部ASIC组和电背板)。例如，图5中的ASIC的底部端口是光端口，而ASIC的顶部端口是连接至电背板一侧的电端口。该电背板进一步连接至在该背板的另一侧的更多电交换ASIC。为了这个例子，假设每个ASIC具有64个端口@200Gbps(即M＝64)。为了构造分别具有640个输入端口和640个输出端口@200Gbps(即，‘N’＝640)的非阻塞导向器交换机，总共需要30个ASIC。20个ASIC放置在图5中的底层，其中一半端口面向外部世界，另一半端口面向电背板。其余的10个ASIC放置在图5中的顶层，所有端口面向背板(同样，顶层ASIC和背板未示出)。如可理解的，该相关技术示例所需的ASIC的总数是3*N/M，其中M是每ASIC的输入端口的数量，N是连接到外部世界(例如，连接到计算节点)的输入端口的总数。在这种情况下，N/M个ASIC在顶层，2*N/M个ASIC在底层。通常，当参考附图时，为了便于解释，使用术语“顶”和“底”，并且这些术语不旨在限制电气和/或光学交换机的输入和/或输出的位置和/或限制图5-8中的混合光电交换机的拓扑。

转向图5中的混合光电交换机500，应理解的是，用具有与相关技术的顶层ASIC相同数量的输入端口和输出端口的光学块代替在相关技术示例中提及的在顶层的ASIC。换言之，图5示出了具有用于混合光电交换机500的N个输入端口的电气块504。电气块504包括被配置为在电域中路由信号的多个电气交换机(例如，ASIC)，其中每个电气交换机(每个ASIC)包括M个输入端口。如上所述，M/2个输入端口可以与外部世界或数据中心拓扑的另一层接口，同时M/2个输入端口与光学交换机接口。图5进一步示出了耦合至电气块504并且被配置为在光域中路由信号的光学块508。电气块504和光学块508可安装在同一PCB 502或其他支撑基板(例如，硅晶圆)上，以便使电气块504和光学块508共同封装在一起。如上所述，电气块504和光学块508可通过在ASIC和光学交换机之间承载信号的合适数量的波导彼此耦合。

如以下更详细描述的，图5-8中的光学块的配置和/或图5-8中的电气块的配置至少基于N个输入端口的数量。通常，光学块的配置可涉及光学块中的光学交换机的输入端口的数量和光学块中的光学交换机的输出端口的数量。光学块的配置可进一步涉及光学块中的光学交换机的数量。同时，电气块的配置可涉及多个电气交换机的数量(例如，多个ASIC)和/或用于每个电气交换机的输入端口的数量。

在图5中，例如，在混合光电交换机500中，光学交换机的数量为M/2，其中每个光学交换机包括到每个底层ASIC的至少一个连接，如用双向箭头所示。这里，应当理解，图5中的双向箭头的每一端可表示ASIC或光学交换机处的能够处理传入和传出业务的单个端口。或者，双向箭头的每一端表示ASIC或光学交换机处的输入端口/输出端口对。例如，ASIC的输入/输出端口对中的输出端口可连接到光学交换机的输入/输出端口对的输入端口，而ASIC的输入/输出端口对中的输入端口可连接到光学交换机的输入/输出端口对的输出端口。

仍参见图5，每个光学交换机可以包括2*N/M个输入端口和2*N/M个输出端口。与仅使用电交换ASIC的上述现有技术示例相比，图5中的配置将电气交换ASIC的数量减少33％，并且依然是非阻塞的，从而降低功耗并且提高带宽能力，因为光学交换机不执行O/E/O转换。光学交换机可以根据需要或者以循环的方式在“ASIC耦合”之间分配可变数量的路径(可变聚合带宽)。

在图5中，光学块508中的光学交换机可具有位于光学交换机底侧的输入端口和输出端口，其面向ASIC顶侧的输入端口和输出端口。因此，可以说，光学块508被配置为在ASIC之间的光域中路由信号。

这里，应当理解，混合光电交换机500不限于图5中的设计。例如，如果图5中的每个光学交换机具有N/M个输入端口(和N/M个输出端口)，那么混合光电交换机500可以采用M个数量的光学交换机。

现在将参照图5描述调度和路由方案，其中由底层ASIC(假设ASIC从左到右编号为ASIC_1，…ASIC_2*N/M)的底侧输入端口接收分组。通过光学交换机将分组路由到另一底层ASIC的顶侧输入端口。假设ASIC连接到光学块508并且配置用于进行时隙操作，例如，每个时隙的持续时间长于以太网分组传输所需的持续时间。由于混合光电交换机500在“盒”中，所以可以进行从ASIC到利用合适的处理硬件和/或软件实现的协调中心点(例如，调度器)的通信。这种通信可以通过PCB 502上的电迹线和/或波导来实现。在操作中，ASIC将其缓冲区状态报告给调度器，其中缓冲区状态对应于通信请求。

调度器从ASIC接收通信请求并计算I/O匹配，该I/O匹配应该在下一个时隙期间由光学交换机实施。调度器可以解决二部图匹配问题并且使用诸如Islip、ILQF等的迭代算法来计算最大匹配。还可以使用用于最大匹配的算法，例如Hopcroft-Karp。调度器可以针对每个光学交换机或者针对所有光学交换机独立地操作。

示例实施例进一步提出一种排队策略，该策略对于在调度发生之前在ASIC的端口上对分组排队时以及在调度器针对每个光学交换机独立地运行时是有用的。为了帮助二部调度器找到匹配，示例实施例提出用于负载平衡的基于优先级的排队方案。在图5中，每个ASIC的第一(最左)端口连接至第一(最左)光学交换机，每个ASIC的第二端口(第二最左端口)连接至第二光学交换机(第二最左光学交换机)，以此类推。因此，在图5中，可通过光学交换机中的任何一个从源ASIC到达目的地ASIC。为了说明起见，考虑图5中的第一光学交换机(最左边的光学交换机)的调度器。该调度器从每个ASIC的第一(最左边)端口接收流量请求(例如，分组的目的地)。调度器应基于这些流量请求将光学交换机的输入与光学交换机的输出匹配。调度器可对每个ASIC的第一端口上的不同目的地的排队进行优先级排序。

例如，以下用于对分组的缓冲进行优先级排序(或选择它们将遵循的路径)的解析规则是基于目的地ASIC和源ASIC：Uplink_port＝(ASIC_dest+ASIC_source)modulo K(1),，其中上行链路端口(uplink port)对应于特定光学交换机的端口，ASIC_source是作为正在发送的分组的源的ASIC，而ASIC_dest是作为分组被发送到的目的地的ASIC。

根据源ASIC，该规则为相同的目的地ASIC对不同的上行链路端口(即，光学交换机)进行优先级排序。例如，如果ASIC_1和ASIC_2想要向ASIC_3发送分组，则这可以分别通过光学交换机_4和光学交换机_5完成(请记住，ASIC和光学交换机是从左到右数字排序的)。这种方法避免了将光学交换机的相同输出端口分配给来自两个不同ASIC的流量。这里，应当理解，相同或相似的调度方案可应用于图6-8中的混合光电交换机。

图6示出了混合光电交换机600的另一个示例，该混合光电交换机包括以与以上参考图5描述的相同或类似的方式共同封装在PCB 602或其他支撑基板(例如，在硅晶圆上)上的电气块604(ASIC的底层和顶层)和光学块608(光学交换机的中间层)。在这种情况下，在图6的底部用箭头描述混合光电交换机600的N个输入端口，而在该图的顶部用箭头描述混合光电交换机600的N个输出端口。为了构造NxN混合光电交换机600(即，具有N个输入端口和N个输出端口的混合光电交换机)，混合光电交换机600可以采用总共2*N/M个ASIC，ASIC的一半在上层，并且ASIC的另一半在底层。图6中光学交换机的数量为M/2，每个光学交换机的输出端口的数量和输入端口的数量都等于2*N/M。然而，示例实施例不限于此，并且图6中的光学交换机的数量可以等于M，例如，当每个光学交换机的输入端口的数量和输出端口的数量都等于N/M时。

在混合光电交换机600内并且由于电气块604和光学块608共同封装在同一PCB602上，图6中的底层ASIC的输出端口面向光学交换机的输入端口，而光学交换机的输出端口面向顶层ASIC的输入端口。未耦合到光学块608中的光学交换机的ASIC底层的任何输出端口可改为连接到ASIC顶层中的ASIC的输入端口。

图6进一步示出了电气块604的端口与光学块608的端口之间的示例连接。通常，每个光学交换机可具有到每个底层ASIC的至少一个连接，以便能够将信号从合适的底层ASIC路由到合适的顶层ASIC。端口之间的连接用单向箭头示出，并且取决于混合光电交换机600的配置，相同或相似的连接模式可以扩展到其他ASIC和光学交换机。然而，示例实施例不限于此，并且电气块604中的电气交换机与光学块608中的光学交换机之间的连接可以是基于经验证据和/或偏好的设计参数。通常，对于图6-8，退出或进入电气或光学交换机的单向箭头表示用于单向通信的端口(即，进入元件的箭头是专用输入端口，并且离开元件的箭头是专用输出端口)。如参考图5所述，图6中的光学交换机的调度可取决于来自ASIC的流量请求或遵循循环调度。

尽管未明确示出，但应了解，顶层ASIC的输出端口可连接到或能连接到数据中心拓扑内的另一层电气交换机和/或光学交换机。

图7示出了混合光电交换机700，包括共同封装在同一PCB 702或其他支撑基板(例如，硅晶圆)上的电气块704(或底层ASIC)和光学块708。与图6中的混合光电交换机600相比，图7中的混合光电交换机700消除了顶层ASIC。混合光电交换机700仍然是不阻塞的，输出端口工作在电路交换模式下，并且交换机700包括如图6中的ASIC数量的一半。换言之，交换机700使用N/M个ASIC，每个ASIC具有M个输入端口和M个输出端口。另外，交换机700中的光学交换机的数量可以是M，并且每个光学交换机的输入端口的数量和输出端口的数量都是N/M。然而，示例实施例不限于此，并且例如，当每个光学交换机包括2*N/M个输入端口和2*N/M个输出端口时，光学交换机的数量可以等于M/2。

如图7所示，ASIC的输出端口面向PCB 702上的光学交换机的输入端口。图7进一步示出了电气块704的端口与光学块708的端口之间的示例连接。通常，每个光学交换机可以具有到每个底层ASIC的至少一个连接，以便使得能够将信号从任何底层ASIC路由到混合光电交换机700的合适的输出端口。如图6中所示，通过单向箭头示出了端口之间的连接，并且根据混合光电交换机700的配置，为两个电气交换机和两个光学交换机示出的相同或相似的连接模式可以扩展到其他ASIC和光学交换机。然而，示例实施例不限于此，并且电气块704中的电气交换机和光学块708中的光学交换机之间的连接可以是基于经验证据和/或偏好的设计参数。类似于混合光电交换机600，混合光电交换机700的输出(即，光学交换机的输出)可以连接或能连接到数据中心拓扑内的另一层电气交换机和/或光学交换机。未耦合到光学块708中的光学交换机的底层ASIC的任何输出端口可改为连接到或能连接到数据中心拓扑的另一层中的ASIC或光学交换机的输入端口。

图8示出了包括共同封装在同一PCB 802或其他支撑基板(例如，硅晶圆)上的电气块804和光学块808的混合光电交换机800。电气块804可包括任何合适数量的M个端口ASIC以到达具有N个输入端口的混合光电交换机800。光学块808包括具有N个输入端口和N个输出端口的单个光学交换机。类似于混合光电交换机600和700，混合光电交换机800的输出(即，光学交换机的输出)可以连接或能连接到数据中心拓扑内的另一层电气交换机和/或光学交换机。

如图8所示，ASIC的输出端口面向PCB 802上的光学交换机的输入端口。图8进一步示出了电气块804的端口与光学块808的端口之间的示例连接。如图6和7所示，端口之间的连接用单向箭头示出，并且对于两个电气交换机和两个光学交换机示出的相同或相似的连接模式可根据混合光电交换机800的配置扩展到其他ASIC和光学交换机。然而，示例实施例不限于此，并且电气块804中的电气交换机与光学块808中的光学交换机之间的连接可以是基于经验证据和/或偏好的设计参数。这里，应当理解，尽管未明确示出，但混合光电交换机800的输入端口和输出端口可位于交换机800的同一侧(例如，图5中的底侧)。在这种情况下，光学块808中的光学交换机的输入端口和输出端口可面向PCB 802上的电气块804。

鉴于以上内容，应理解的是，示例实施例提供混合光电交换机，所述混合光电交换机可以被共同封装到单个设备中，并且可以用于合适的数据中心拓扑中以提供改进的带宽、减少的延迟和/或减少的功耗。

在说明书中给出了具体细节以便提供对这些实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解，实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其他实例中，可以在没有不必要的细节的情况下示出众所周知的电路、过程、算法、结构和技术，以便避免使实施例模糊不清。

虽然在此已经详细描述了本公开的说明性实施例，但应理解的是，这些发明构思可以另外不同地实施和采用，并且所附权利要求书旨在被解释为包括此类变化，除非被现有技术限制。

应认识到，发明构思涵盖结合任何一个或更多个其他实施例的任何实施例、在此公开的特征中的任何一个或更多个、如在此实质上公开的特征中的任何一个或更多个、结合如在此实质上公开的任何一个或更多个其他特征的如在此实质上公开的特征的任何一个或更多个、结合任何一个或更多个其他方面/特征/实施例的方面/特征/实施例中的任何一个、如在此公开的任何一个或更多个实施例或特征的使用。应当理解，本文所述的任何特征可以与本文所述的任何其他特征组合地要求保护，而不管所述特征是否来自相同的所述实施例。

可以根据以下来配置示例实施例：

(1)一种用于网络交换机的设备，所述设备包括：

N个输入端口；

电气块，其包括被配置为在电域中路由信号的多个电气交换机，其中每个电气交换机包括M个输入端口；以及

光学块，其耦合至所述电气块并且被配置为在光域中路由信号，其中所述光学块的配置和所述电气块的配置至少基于所述N个输入端口的数量。

(2)根据(1)所述的设备，其中所述光学块的所述配置涉及所述光学块中光学交换机的输入端口的数量和所述光学交换机的输出端口的数量。

(3)根据(1)至(2)中的一项或更多项所述的设备，其中所述电气块的配置涉及所述多个电气交换机的数量，并且其中M小于N。

(4)根据(1)至(3)中的一项或更多项所述的设备，其中所述多个电气交换机的数量为N/M。

(5)根据(1)至(4)中的一项或更多项所述的设备，其中所述光学交换机的输入端口的数量和输出端口的数量都等于N。

(6)根据(1)至(5)中的一项或更多项所述的设备，还包括：

基板，所述电气块和所述光学块被安装在所述基板上，其中所述光学交换机的所述输入端口面向所述多个电气交换机的输出端口。

(7)根据(1)至(6)中的一项或更多项所述的设备，其中所述光学交换机的输入端口的数量和输出端口的数量都等于N/M，其中所述光学块的配置涉及所述光学块中光学交换机的数量，并且其中所述光学块中光学交换机的数量是M。

(8)根据(1)至(7)中的一项或更多项所述的设备，其中所述光学交换机的输入端口的数量和输出端口的数量都等于2*N/M，其中所述光学块的配置涉及所述光学块中光学交换机的数量，并且其中所述光学块中光学交换机的数量是M/2。

(9)根据(1)至(8)中的一项或更多项所述的设备，其中所述多个电气交换机的数量为2*N/M。

(10)根据(1)至(9)中的一项或更多项所述的设备，其中所述光学交换机的输入端口的数量和输出端口的数量都等于2*N/M，其中所述光学块的配置涉及所述光学块中光学交换机的数量，并且其中所述光学块中光学交换机的数量是M/2。

(11)根据(1)至(10)中的一项或更多项所述的设备，还包括：

基板，所述电气块和所述光学块被安装在所述基板上，其中所述光学交换机的所述输入端口和所述输出端口面向所述多个电气交换机中的电气交换机的输出端口。

(12)根据(1)至(11)中的一项或更多项所述的设备，其中所述光学交换机的输入端口的数量和输出端口的数量都等于N/M，其中所述光学块的配置涉及所述光学块中光学交换机的数量，并且其中所述光学块中光学交换机的数量是M。

(13)根据(1)至(12)中的一项或更多项所述的设备，其中所述光学交换机的输入端口的数量和输出端口的数量都等于2*N/M，其中所述光学块的配置涉及所述光学块中光学交换机的数量，并且其中所述光学块中光学交换机的数量是M/2。

(14)根据(1)至(13)中的一项或更多项所述的设备，还包括：

基板，所述电气块和所述光学块安装在所述基板上，其中所述光学交换机的所述输入端口面向所述多个电气交换机中的第一电气交换机的输出端口。

(15)根据(1)至(14)中的一项或更多项所述的设备，其中所述光学交换机的所述输出端口不面向所述第一电气交换机的所述输出端口。

(16)根据(1)至(15)中的一项或更多项所述的设备，其中所述光学交换机的输入端口的数量和输出端口的数量都等于N/M，其中所述光学块的配置涉及所述光学块中光学交换机的数量，并且其中所述光学块中光学交换机的数量是M。

(17)根据(1)至(16)中的一项或更多项所述的设备，还包括：

基板，其中所述电气块和所述光学块共同封装在所述基板上。

(18)根据(1)到(17)中的一项或更多项所述的设备，其中所述光学块被配置为在所述光域中在所述多个电气交换机之间路由信号，并且其中所述光学块被配置为通过所述光学块的所选择的光学交换机来路由分组，所选择的光学交换机是基于所述分组的源和所述分组的目的地而被选择。

(19)一种半导体封装，包括：

基板；

N个输入端口；

电气块，其位于所述基板上并且被配置为在电域中路由信号，所述电气块包括多个电气交换机，其中每个电气交换机包括M个输入端口；以及

光学块，其位于所述基板上并且通信地耦合至所述电气块，所述光学块被配置为在光域中路由信号，其中所述光学块的配置和所述电气块的配置至少基于所述N个输入端口的数量。

(20)一种***，包括：

多个网络设备，其以分级网络拓扑配置，所述网络设备中的至少一个网络设备包括：

N个输入端口；

电气块，其耦合至所述N个输入端口并且包括被配置为在电域中路由信号的多个交换机，其中每个交换机包括M个输入端口；以及

光学块，其耦合至所述电气块并且被配置为在光域中路由信号，其中所述光学块的配置和所述电气块的配置基于所述N个输入端口的数量和所述M个输入端口的数量。

Claims (20)

1.一种用于网络交换机的设备，所述设备包括：

N个输入端口；

电气块，其包括被配置为在电域中路由信号的多个电气交换机，其中每个电气交换机包括M个输入端口；以及

光学块，其耦合至所述电气块并且被配置为在光域中路由信号，其中所述光学块的配置和所述电气块的配置至少基于所述N个输入端口的数量。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学块的配置涉及所述光学块中光学交换机的输入端口的数量和所述光学交换机的输出端口的数量。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述电气块的配置涉及所述多个电气交换机的数量，并且其中M小于N。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述多个电气交换机的数量为N/M。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述光学交换机的所述输入端口的数量和所述输出端口的数量都等于N。

6.根据权利要求5所述的设备，还包括：

基板，所述电气块和所述光学块被安装在所述基板上，其中所述光学交换机的所述输入端口面向所述多个电气交换机的输出端口。

7.根据权利要求4所述的设备，其中所述光学交换机的所述输入端口的数量和所述输出端口的数量都等于N/M，其中所述光学块的所述配置涉及所述光学块中光学交换机的数量，并且其中所述光学块中所述光学交换机的数量是M。

8.根据权利要求4所述的设备，其中所述光学交换机的所述输入端口的数量和所述输出端口的数量都等于2*N/M，其中所述光学块的所述配置涉及所述光学块中光学交换机的数量，并且其中所述光学块中所述光学交换机的数量是M/2。

9.根据权利要求3所述的设备，其中所述多个电气交换机的数量是2*N/M。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述光学交换机的所述输入端口的数量和所述输出端口的数量都等于2*N/M，其中所述光学块的所述配置涉及所述光学块中光学交换机的数量，并且其中所述光学块中所述光学交换机的数量是M/2。

11.根据权利要求10所述的设备，还包括：

基板，所述电气块和所述光学块被安装在所述基板上，其中所述光学交换机的所述输入端口和所述输出端口面向所述多个电气交换机中的电气交换机的输出端口。

12.根据权利要求9所述的设备，其中所述光学交换机的所述输入端口的数量和所述输出端口的数量都等于N/M，其中所述光学块的所述配置涉及所述光学块中光学交换机的数量，并且其中所述光学块中所述光学交换机的数量是M。

13.根据权利要求9所述的设备，其中所述光学交换机的所述输入端口的数量和所述输出端口的数量都等于2*N/M，其中所述光学块的所述配置涉及所述光学块中光学交换机的数量，并且其中所述光学块中所述光学交换机的数量是M/2。

14.根据权利要求13所述的设备，还包括：

基板，所述电气块和所述光学块被安装在所述基板上，其中所述光学交换机的所述输入端口面向所述多个电气交换机中的第一电气交换机的输出端口。

15.根据权利要求14所述的设备，其中所述光学交换机的所述输出端口不面向所述第一电气交换机的所述输出端口。

16.根据权利要求9所述的设备，其中所述光学交换机的所述输入端口的数量和所述输出端口的数量都等于N/M，其中所述光学块的所述配置涉及所述光学块中光学交换机的数量，并且其中所述光学块中所述光学交换机的数量是M。

17.根据权利要求1所述的设备，还包括：

基板，其中所述电气块和所述光学块被共同封装在所述基板上。

18.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学块被配置为在所述光域中在所述多个电气交换机之间路由信号，并且其中所述光学块被配置为通过所述光学块的所选择的光学交换机来路由分组，所选择的光学交换机是基于所述分组的源和所述分组的目的地而被选择。

19.一种半导体封装，包括：

基板；

N个输入端口；

电气块，其位于所述基板上并且被配置为在电域中路由信号，所述电气块包括多个电气交换机，其中每个电气交换机包括M个输入端口；以及

光学块，其位于所述基板上并且通信地耦合至所述电气块，所述光学块被配置为在光域中路由信号，其中所述光学块的配置和所述电气块的配置至少基于所述N个输入端口的数量。

20.一种***，包括：

多个网络设备，其以分级网络拓扑配置，所述网络设备中的至少一个网络设备包括：

N个输入端口；

电气块，其耦合至所述N个输入端口并且包括被配置为在电域中路由信号的多个交换机，其中每个交换机包括M个输入端口；以及

光学块，其耦合至所述电气块并且被配置为在光域中路由信号，其中所述光学块的配置和所述电气块的配置基于所述N个输入端口的数量和所述M个输入端口的数量。

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