Google Membagikan Wawasan: Langkah Berikutnya dalam Teknologi Optical Switching

Dalam artikel ini, Google membahas teknologi perangkat (device) untuk optical circuit switch (OCS) generasi masa depan, dengan fokus kuat pada jaringan pusat data dan superkomputer pembelajaran mesin. Parameter perangkat seperti insertion loss, crosstalk, jumlah port, waktu rekonfigurasi, serta sensitivitas polarisasi akan sangat menentukan performa dan keandalan sistem pada level akhir.

Pendahuluan

Sistem berskala besar bergantung pada jaringan untuk mengalirkan informasi dari sumber ke tujuan melalui switch. Saat ini, sebagian besar jaringan data skala raksasa dibangun di atas electronic packet switch (EPS) dengan topologi Clos yang bersifat tetap. Meski mampu mendukung pola komunikasi apa pun, pendekatan ini tidak selalu skalabel secara elegan untuk metrik kunci seperti biaya, latensi, dan kemampuan rekonfigurasi.

Keterbatasan skalabilitas yang sudah lama diketahui inilah yang mendorong riset awal untuk mengeksplorasi optical circuit switch (OCS), yang memungkinkan topologi jaringan disesuaikan secara dinamis agar lebih selaras dengan pola komunikasi yang dibutuhkan.

Riset-riset awal tersebut kemudian mendorong implementasi OCS di jaringan pusat data berskala besar serta sistem pembelajaran mesin. Optical switching pun menjadi teknologi kunci untuk membangun jaringan yang berperforma tinggi, efisien dari sisi biaya, dan dapat dikonfigurasi ulang. Artikel ini merangkum lanskap OCS komersial yang ada, sekaligus meninjau arah pengembangan teknologi perangkat yang berpotensi membentuk generasi berikutnya.

Latar Belakang

Electronic packet switch mengantrekan paket dalam memori bersama, lalu membuat keputusan routing secara lokal berdasarkan informasi pada header paket, sebelum meneruskannya ke port keluaran yang sesuai. Konektivitas end-to-end biasanya terbentuk melalui jalur multi-hop yang melewati beberapa switch. Karena keputusan routing dilakukan per paket, paket dari sumber yang sama menuju tujuan yang sama dapat mengalami latensi yang berbeda-beda—kondisi yang makin terasa problematik untuk beban kerja pembelajaran mesin yang menuntut sinkronisasi ketat.

OCS mengambil pendekatan yang berbeda. Ia membangun “sirkuit” optik end-to-end antara port masuk dan port keluar. Paket yang memasuki switch tetap berada di domain optik, lalu diarahkan ke port keluaran berdasarkan jalur yang telah ditetapkan sebelumnya, bukan melalui keputusan routing lokal berbasis pembacaan header.

Hasilnya, semua paket melewati jalur optik yang sama dan mengalami latensi yang konsisten—sebuah karakteristik yang sangat ideal untuk pekerjaan pelatihan (training) yang tersinkronisasi. Selain itu, banyak desain OCS bersifat relatif tidak sensitif terhadap laju data (rate-insensitive), sehingga satu switch dapat digunakan lintas beberapa generasi transceiver optik dengan kecepatan berbeda.

Kesederhanaan ini datang dengan konsekuensi: OCS umumnya membutuhkan kontrol terpusat. Dalam deployment OCS berskala besar, pekerjaan membangun control plane bahkan bisa menyaingi—atau melampaui—upaya pengembangan perangkat keras OCS itu sendiri.

Teknologi Optical Switching Masa Depan

Google menyoroti beberapa jalur teknologi perangkat untuk platform OCS komersial maupun riset. Kinerja dunia nyata dipengaruhi oleh apakah fungsi switching dilakukan berbasis ruang (spatial) atau berbasis panjang gelombang (wavelength), serta apakah implementasinya memakai arsitektur 3D free-space atau arsitektur planar 2D.

Saat ini belum ada satu teknologi perangkat switching yang unggul di semua skenario aplikasi sekaligus optimal di semua metrik performa. Untuk kebutuhan sistem berskala besar saat ini, optical switch umumnya difokuskan pada tiga prioritas praktis: jumlah port yang sangat besar, insertion loss yang rendah, dan return loss yang rendah.

Switching 3D Free-Space

Pendekatan komersial yang telah luas digunakan mengandalkan cermin MEMS (micro-electromechanical systems) yang dibuat secara kustom. Dalam desain ini, micro-mirror ber-reflektansi tinggi—diproduksi dengan proses deep reactive ion etching—dikendalikan oleh sinyal tegangan tinggi yang menggerakkan struktur comb-drive di sekitar setiap cermin. Setiap cermin dapat berotasi pada dua sumbu, dan sepasang perangkat semacam ini dapat membentuk jalur optik 3D dari port input mana pun ke port output mana pun.

Google mencatat bahwa OCS berbasis MEMS memberikan keuntungan biaya yang signifikan dalam jaringan pusat data berskala besar. Teknologi ini juga meningkatkan ketersediaan dan performa ketika dipakai pada superpod TPU, di mana latensi yang konsisten dan bisection bandwidth yang tinggi menjadi faktor krusial.

Di luar cermin MEMS mekanis, Google juga menyoroti opsi non-mekanis untuk switching 3D free-space, seperti array piksel digital liquid crystal (DLC) 2D. Perangkat ini memanfaatkan sifat polarisasi untuk mengendalikan arah propagasi berkas cahaya secara digital. Melalui struktur folded cascade yang terdiri dari N tahap biner, switch dengan 2^N port dapat dibangun, sehingga port besar dapat dicapai melalui komposisi modular.

Perangkat Switching Planar 2D

Berbeda dengan arsitektur 3D free-space, banyak riset switching planar 2D memakai crossbar waveguide: terdapat N waveguide pada tiap arah, dan di setiap dari N² titik persilangan ditempatkan elemen switching biner untuk mengontrol arah propagasi cahaya di titik tersebut.

Sebagian besar riset ini didorong oleh silicon photonics (SiP) yang dirancang kompatibel dengan proses manufaktur CMOS standar. Secara prinsip, switch planar berbasis SiP berpotensi menghadirkan biaya per port yang lebih rendah, switching yang lebih cepat, integrasi yang lebih mudah dengan sistem elektronik, serta—karena tegangan penggeraknya lebih rendah—potensi reliabilitas yang lebih tinggi dibanding banyak sistem 3D free-space komersial.

Namun hingga kini, keunggulan tersebut belum sepenuhnya terwujud dalam sistem produksi massal. Tantangan yang paling konsisten adalah tingginya rugi-rugi pada proses coupling serat optik dan di dalam fabrik switching itu sendiri, serta keterbatasan jumlah port. Beberapa kekurangan—terutama insertion loss—juga sulit dihindari pada hampir semua arsitektur switching planar 2D.

1. Perangkat Berbasis Interferensi

Switch planar 2D berbasis interferensi telah diteliti secara luas. Dua contoh yang representatif adalah:

Mach–Zehnder interferometer (MZI), yang menghasilkan keadaan switching lewat interferensi single-pass.

Microring resonator, yang menghasilkan keadaan switching lewat interferensi multi-pass di dalam rongga resonansi berbentuk cincin.

Secara umum, perangkat berbasis resonator bisa memiliki tegangan penggerak lebih rendah, tetapi bandwidth-nya lebih sempit dan kontrolnya lebih menantang.

Keduanya bergantung pada perubahan indeks bias untuk menghasilkan interferensi konstruktif atau destruktif. Metode yang umum meliputi thermal tuning dan efek elektro-optik, yakni indeks bias berubah akibat medan listrik eksternal. Perubahan indeks bias yang diinduksi bersifat bergantung panjang gelombang, sehingga memengaruhi bandwidth yang dapat digunakan.

Thermal tuning relatif lambat (orde mikrodetik dibanding nanodetik) dan memerlukan kontrol yang presisi untuk mencegah thermal crosstalk antarperangkat. Tantangan lain untuk switch berbasis interferensi mencakup penurunan rugi-rugi total, kebutuhan desain polarization-diverse, serta pengelolaan crosstalk yang makin berat seiring bertambahnya jumlah perangkat yang dikaskadekan dan skala port switch.

2. Perangkat Heterogeneous Integration

Google juga menyoroti skenario aplikasi baru yang mendorong kebutuhan switching menjadi jauh lebih ketat: komputasi kuantum fotonik. Dalam konteks ini, optical switch digunakan untuk membangun sumber daya komputasi awal serta melakukan operasi feed-forward di antara tahap-tahap komputasi. Karena ketergantungan antar-tahap dapat bergantung pada hasil pengukuran sebelumnya, kecepatan keseluruhan sistem dapat ditentukan oleh kecepatan switching OCS. Komputasi kuantum fotonik juga menuntut standar yang sangat ketat terhadap loss dan crosstalk.

Untuk menjawab tantangan tersebut, switch berkecepatan tinggi berbasis heterogeneous integration sedang diteliti. Perangkat ini menggabungkan thin-film material dengan efek elektro-optik kuat ke dalam silicon photonics berbasis proses foundry. Pendekatan ini berpotensi menghasilkan switch dengan tegangan penggerak rendah dan kecepatan tinggi. Beragam proses heterogeneous integration lain—termasuk micro-transfer printing—juga tengah dikembangkan.

Meski demikian, tantangan inti perangkat berbasis interferensi tetap berlaku, ditambah kebutuhan untuk memastikan proses heterogeneous integration dapat diproduksi dan dipaketkan secara praktis untuk deployment nyata.

3. Perangkat MEMS Silicon Photonics

MEMS juga dieksplorasi untuk switch planar 2D berbasis silicon photonics. Dalam arsitektur ini, unit array serat optik input dan output (FAU) terhubung ke crossbar 2D berbasis waveguide. Pada setiap titik persilangan, coupler yang digerakkan MEMS mengarahkan cahaya ke salah satu dari dua arah. Setelah itu, photonic integrated circuit (PIC) berbasis MEMS diintegrasikan dengan chip CMOS untuk kontrol.

Dibanding MEMS analog pada switch free-space, coupler MEMS biner dapat bekerja hingga 1000× lebih cepat dan telah menunjukkan jumlah port yang relatif besar pada prototipe riset. Namun, tantangan kemasan (packaging) tetap berat—terutama mencapai kemasan ber-loss rendah untuk 2N koneksi serat–waveguide, sebuah tantangan yang juga dihadapi oleh sebagian besar switch planar silicon photonics.

4. Perangkat Switching Berbasis Panjang Gelombang

Jalur lain adalah wavelength switching, yang menggabungkan laser yang dapat dituning, perangkat pasif arrayed waveguide grating (AWG), serta filter yang dapat dituning. Dibanding teknologi berbasis ruang, laser tunable umumnya lebih mahal dan lebih boros daya. Sementara itu, perangkat optik pasif dapat memiliki loss yang lebih tinggi dan bekerja pada pita panjang gelombang yang tetap.

Karakteristik ini membatasi jumlah port sekaligus bandwidth yang tersedia per port.

Kesimpulan

Seiring optical circuit switching memasuki fase komersialisasi, aktivitas riset terhadap teknologi perangkat untuk optical switching masa depan meningkat dengan cepat. Ketika skenario penerapan makin luas, sebagian teknologi perangkat yang saat ini masih berada di tahap riset diperkirakan akan diadopsi dalam sistem komputasi dan jaringan generasi berikutnya, lalu diwujudkan dalam aplikasi produksi massal.

Tambahan: Asal-usul OCS Google

Sejak beberapa tahun lalu, Google diam-diam melakukan transformasi pada pusat datanya, mengganti infrastruktur jaringan tradisional dengan pendekatan internal yang menyeluruh—sesuatu yang sejak lama menjadi “mimpi” komunitas jaringan.

Program ini kerap disebut “Project Apollo”. Intinya adalah mengganti elektronik dengan optik, dan menggantikan switch jaringan tradisional dengan optical circuit switch (OCS). Menjelang akhir 2023, pimpinan tim sistem dan infrastruktur layanan Google pernah menjelaskan dalam wawancara media internasional mengapa proyek ini begitu penting.

Menjaga Data Tetap di “Cahaya”

Komunikasi pusat data menghadapi tantangan mendasar: efisiensi yang rendah karena harus menyeberangi dua dunia. Pemrosesan data terjadi pada perangkat elektronik, sehingga informasi di level server berada di domain listrik. Namun, mentransmisikan informasi di domain optik sering kali jauh lebih cepat dan lebih efisien.

Dalam topologi jaringan tradisional, sinyal bolak-balik dikonversi antara listrik dan optik. Proses ini berlangsung “hop demi hop”: dikonversi kembali menjadi sinyal listrik, lalu dikonversi lagi ke optik, dan seterusnya. Menurut Vahdat, sebagian besar pekerjaan akhirnya tertahan di domain listrik—yang sangat mahal dari sisi biaya dan konsumsi energi.

Dengan OCS, Google berupaya “menjaga data tetap berada di domain optik selama mungkin”. Perusahaan menggunakan micro-mirror untuk mengarahkan ulang berkas cahaya dari sumber, lalu mengirimkannya langsung ke port tujuan sebagai optical cross-connect.

Google menyatakan pendekatan ini menurunkan latensi komunikasi karena tidak lagi membutuhkan perpindahan data yang begitu sering di dalam pusat data. Ia juga menghilangkan tahapan “power switching” yang selama ini menjadi inti dari sebagian besar pusat data, termasuk milik Google sendiri.

Sebaliknya, arsitektur Clos tradisional yang umum di pusat data bergantung pada tulang punggung EPS berbasis chip silikon dari perusahaan seperti Broadcom dan Marvell, yang kemudian terhubung ke switch “leaf” atau top-of-rack.

Sistem EPS mahal dan boros daya. Selain itu, ketika sinyal dibawa dalam bentuk listrik, diperlukan pemrosesan per paket yang menambah latensi, sebelum akhirnya dikonversi kembali ke optik untuk transmisi lanjutan.

Google menegaskan OCS membutuhkan daya yang jauh lebih kecil: konsumsi energinya pada dasarnya hanya untuk menjaga posisi cermin. Karena cermin tersebut sangat kecil, kebutuhan dayanya pun sangat rendah.

Cahaya masuk ke switch “Apollo” melalui bundel serat optik, lalu dipantulkan oleh beberapa chip silikon yang masing-masing berisi array micro-mirror. Cermin ini adalah MEMS 3D yang dapat dikalibrasi ulang secara cepat dan individual, sehingga setiap sinyal optik dapat segera diarahkan ke serat yang berbeda pada bundel keluaran.

Setiap array berisi 176 micro-mirror, namun demi yield, hanya 136 yang digunakan. Karena setiap cermin bersifat kustom dan sedikit berbeda, jumlah kombinasi input-output yang mungkin menjadi 136 kuadrat, yakni 18.496 kombinasi antara dua komponen cermin.

Konsumsi daya maksimum seluruh sistem sekitar 108 watt—dan dalam praktiknya sering jauh lebih rendah—jauh di bawah konsumsi daya sistem EPS sekelasnya yang bisa berada di sekitar 3000 watt.

Dalam beberapa tahun terakhir, Google telah memasang ribuan sistem OCS semacam ini. Menurut Google, ini merupakan deployment OCS terbesar di dunia, dengan manfaat yang sangat nyata.

Kustomisasi dari Nol

Pengembangan sistem ini menuntut banyak komponen khusus, termasuk peralatan produksi yang kustom. Produksi sistem kontrol OCS Palomar, misalnya, memerlukan alat uji, stasiun alignment, serta stasiun perakitan khusus untuk MEMS mirror, fiber collimator, optical die, dan berbagai subkomponen OCS.

Google juga mengembangkan alat alignment otomatis kustom yang mampu menempatkan setiap array lensa 2D dengan presisi sub-mikron.

“Kami juga membuat transceiver dan circulator,” kata Google. Circulator membantu cahaya bergerak searah melewati port-port yang berbeda. Apakah circulator ditemukan oleh Google? Tidak. Namun apakah ia didesain, dibuat, dan dideploy dalam skala besar sebagai komponen kustom? Ya.

Google menambahkan bahwa circulator optik ini memuat teknologi yang sangat menarik dan, dibanding pendekatan sebelumnya, dapat mengurangi jumlah serat optik hingga setengahnya.

Untuk transceiver pengirim/penerima sinyal optik di pusat data, Google menggabungkan kemajuan pada optik berkecepatan tinggi, elektronik, dan pemrosesan sinyal untuk merancang transceiver WDM berbiaya rendah yang mencakup empat generasi kecepatan interkoneksi (40, 100, 200, 400GbE).

Google menyebut mereka “menciptakan” transceiver dengan karakteristik daya dan loss yang tepat, karena salah satu tantangan dari teknologi ini adalah insertion loss yang muncul pada jalur di antara dua switch listrik.

Kini, jalur serat optik digantikan oleh switch optik, dan cahaya akan kehilangan sebagian intensitasnya karena refleksi saat melewati perangkat. Karena itu, Google harus mendesain transceiver yang menyeimbangkan biaya, daya, dan kebutuhan format agar mampu menoleransi insertion loss dalam tingkat moderat.

Google meyakini mereka memiliki salah satu transceiver paling efisien energi di pasar, dan hal itu mendorong pendekatan rekayasa end-to-end agar potensi teknologi ini bisa dimaksimalkan.

Bagian penting dari visi ini adalah lapisan software-defined networking (SDN) bernama Orion. Menurut Google, Orion hadir sebelum Project Apollo, sehingga sejak awal mereka sudah memiliki control plane yang secara logis terpusat.

Perbedaan dari routing terpusat berbasis topologi spine hingga pengelolaan topologi direct-connect melalui traffic engineering memang besar. Google tidak mengatakan ini mudah—dibutuhkan waktu lama dan banyak insinyur. Namun tanpa fondasi traffic engineering SDN, lompatan ini tidak akan mungkin dilakukan.

Pada dasarnya, Google memperluas Orion dan control plane routing-nya untuk mengelola topologi direct-connect, lalu melakukan traffic engineering dan rekonfigurasi mirror secara real-time berdasarkan sinyal trafik, sementara topologi logis juga berubah secara real-time.

“Tugasnya berat, tetapi dapat dibayangkan—bukan sesuatu yang mustahil,” kata Google.

Tantangan yang Dihadapi

Salah satu tantangan utama Project Apollo adalah waktu rekonfigurasi. Clos network dengan EPS dapat menghubungkan semua port secara fleksibel, sedangkan OCS tidak sefleksibel EPS. Jika ingin mengubah arsitektur direct-connect untuk menghubungkan dua titik berbeda, mirror membutuhkan beberapa detik untuk rekonfigurasi—jauh lebih lambat dibanding tetap menggunakan EPS.

Google menilai kunci untuk mengatasi kendala ini adalah mengurangi frekuensi rekonfigurasi. Perusahaan merancang infrastruktur pusat data dengan mempertimbangkan OCS sejak awal, sehingga OCS menjadi bagian dari fondasi sistem.

“Jika Anda mengumpulkan cukup banyak data, Anda bisa memanfaatkan pola komunikasi yang bertahan lama,” kata Google. Mereka menggunakan istilah “superblock”, yaitu agregasi 1 hingga 2000 server. Volume data tertentu akan mengalir dari satu superblock ke superblock lainnya.

Jika dalam satu pusat data ada 20, 30, 40 superblock atau lebih, volume data dari superblock X ke superblock Y tidak sepenuhnya tetap dibanding superblock lain, tetapi memiliki stabilitas tertentu.

Karena itu, Google dapat menjaga data tetap berada di domain optik dan mengalirkannya menuju superblock tujuan dalam transmisi optik end-to-end. Jika pola komunikasi berubah—terutama berubah drastis—barulah topologi dikonfigurasi ulang.

Hal ini juga membuka peluang untuk rekonfigurasi jaringan internal pusat data. Jika membutuhkan lebih banyak EPS, Google dapat secara dinamis mengalokasikan satu “supermodule” sebagai tulang punggung.

Bayangkan ada satu superblock yang tidak terhubung ke server mana pun. Superblock itu dapat “direkrut” sebagai backbone khusus. Sistem akan mengambil alih blok yang belum memiliki server atau sedang tidak digunakan.

Blok yang bukan sumber trafik pada dasarnya bisa berperan sebagai backbone kecil. Bagi yang menyukai teori graf dan routing, ini adalah capaian yang sangat menarik—dan Google mengaku sangat menyukainya.

Layak Diinvestasikan

“Optical circuit switch kini bisa menjadi bagian dari infrastruktur gedung,” kata Google. “Foton tidak peduli bagaimana data dikodekan.” Karena itu, laju transmisi bisa meningkat dari 10Gbps ke 40Gbps, lalu 200Gbps, 400Gbps, bahkan 800Gbps dan lebih tinggi, tanpa perlu upgrade pada switch optiknya.

Google menekankan berbagai generasi transceiver dapat berjalan dalam jaringan yang sama, dan mereka dapat melakukan upgrade sesuai ritme sendiri—bukan dipaksa mengikuti teknologi eksternal terbaru, yang sering mengharuskan pusat data ditutup dan dibangun ulang ketika berpindah generasi kecepatan.

Dari sudut pandang pelanggan, hal yang paling menyakitkan adalah gangguan layanan hingga enam bulan, sehingga mereka harus memindahkan layanan ke platform lain untuk sementara waktu.

Pada skala Google, ini berarti mereka harus terus memindahkan personel karena selalu ada area yang perlu ditingkatkan. Sementara layanan mereka tersebar global dengan banyak instance, perubahan semacam ini akan terus berdampak pada layanan.

Dengan OCS yang dapat dipakai lintas generasi, belanja modal juga turun, sementara sistem EPS perlu diganti bersamaan dengan transceiver. Google menilai biaya dapat turun hingga 70%. Vahdat menambahkan bahwa penghematan energi juga sangat signifikan.

Mempertahankan komunikasi yang lebih “ringan” diyakini dapat menghemat miliaran dolar bagi Google, menurunkan konsumsi energi, dan mengurangi latensi.

Saat ini, Google menerapkan pendekatan ini pada level supermodule. Pertanyaan berikutnya: bisakah mereka menemukan cara rekonfigurasi serat optik yang lebih sering, sehingga penerapannya bisa “turun” hingga level top-of-rack? Jika bisa, manfaatnya akan semakin besar—namun ini masih menjadi tantangan yang belum sepenuhnya terpecahkan.

Kini, Google juga berupaya mengembangkan OCS dengan port lebih banyak, insertion loss lebih rendah, dan rekonfigurasi lebih cepat. Mereka menilai ruang peningkatan efisiensi dan reliabilitas akan datang dari sana.

Dampaknya berpotensi sangat besar. Google menyebut bisection bandwidth pusat data modern dapat setara dengan bandwidth seluruh internet. Artinya, jika sebuah pusat data “dibelah dua” lalu diukur bandwidth antar kedua bagian tersebut, hasilnya bisa setara dengan “membelah internet” dan mengukur bandwidth di antaranya. Ini menunjukkan besarnya volume komunikasi yang harus ditangani—dan betapa bernilainya setiap peningkatan efisiensi.