資料中心與雲端運算的奇幻世界

每回在台積電的法說會上，使用其最先進製程的用戶中，通常有兩個族群，一個是我們所習知的智慧型手機族群，另一個就是我們不太熟悉的高效能運算(HPC)族群了。

最近因為新冠病毒全球的蔓延，在美國緊急成立了COVID-19 (新冠肺炎) HPC聯盟，希望連結各單位超級運算的功能及資料庫，能找出有效的治療藥物。可看出此族群的重要角色。

甚麼是高效能運算？在HPC族群中主要的產品就是CPU、GPU、AI等晶片等，所代表的公司包括超微(AMD)、NVIDIA、思科(Cisco)、英特爾(Intel)、賽靈思(Xilinx)等，主要的應用就在資料中心及雲端運算，而這個領域所使用的技術都是最先端的。

各位都有使用手機做GPS導航的經驗，首先在我們頭頂上都有三顆以上的GPS衛星，這三顆衛星所發出的同步訊號，會因為衛星與我們手機相對距離的不同，使得在訊號接收上產生時間差，再加上這三顆衛星的座標，就可以很精準地定位出手機的位置。

如果我們要做目的地的導航，只要將現所在位置及目的地資料輸進，手機將資料傳到雲端資料中心，經由資料中心的運算，就可以告訴我們最省時的路徑，若途中走錯路或臨時有更好路徑，也會經由不斷地運算告訴我們最佳的選擇。

目前全球有超過600座的超大型(hyperscale)資料中心，並以每年約10%的速度增加，預估今年的投資額會超過2000億美元。亞馬遜(Amazon)、Google、微軟(Microsoft)、Facebook及阿里巴巴就包辦了前五大，亞馬遜去年計投資了260億美元在資料中心的建置。資料中心一年數據的傳輸總量今年預估會達到15 Zettabytes，並以每年20%的速度成長；而一個Zettabyte是十億倍的Terabyte。這些數據量75%是在資料中心內部的傳輸，是屬於短距離的，而其他的才是資料中心之間，以及其與用戶間的傳輸。

資料中心內部主要的設備包括了，處理電訊號傳輸及運算的伺服器(server)、處理光訊號與電訊號間轉換的交換器(switch)、以及儲存數據的記憶模組(storage)；另外在交換器內作為發射及接收光訊號模組(optical T/R module)，也可以獨立出來。

一般而言，在資料運算、交換、儲存、甚至短距離的傳輸(如機櫃內rack)，都是使用電的訊號；而在較長距離的傳輸上(如資料中心內)，到更遠距離的傳輸則使用光的訊號。全球資料中心的耗電量是相當驚人的，約佔人類使用電力的1.5%，在美國甚至達到了2.5%。這其中伺服器及資料中心的冷卻系統就各佔了四成多的電力，剩下的才是數據儲存及光通訊模組。

毫無疑問，最先進資料中心所使用的科技都是最先進的。伺服器內的CPU、GPU及AI晶片幾乎都是使用7奈米以下製程技術所生產，包括在交換器所使用的ASIC也是如此。一方面要求更高的運算速度，另一方面也是希望節省電力。所使用的固態硬碟(SSD)儲存，也是最先進128層堆疊的NAND，每一個固態硬碟模組也超過10 Tera bytes的容量。光通訊模組的傳輸速度也要求到400 Gbps (giga bits per sec)在資料中心內，而目前在主幹光纖網路的速度都在100 Gbps以下。甚至於在電源的供應上，也煞費苦心，就連能增加0.1%的轉換效率，都是錙銖必較。所以資料中心對於新技術及新產品的開發是一個最好的驅動來源，一點也不為過。

就以光通訊模組為例，其所要求的傳輸量這幾年是呈倍數的成長。就如同在無線通訊中，設計者總希望在有限的頻寬中能夠承載更多的數據量，這就得從不同訊號的調變方式入手，其中就包括了改變頻率(波長)、振幅以及相位(phase)。

在光通訊中也使用了相同的技巧，如在一條光纖中承載了不同波長的光訊號，而彼此之間並不會互相干擾，這就是波長分波多工WDM (wavelength division multiplexing)，以提高每條光纖內的數據傳輸量。調變光波的強度/振幅(pulse amplitude modulation；PAM)，可以使原先一個符號承載1 bit的數據，增加到2 bit以上。如果使用相位調變(phase shift keying；PSK)，則有機會承載更多位元的數據，同時增加了在每條光纖的傳輸量，以滿足不斷增加的需求。

在400 Gbps的光纖傳輸系統內，也開始使用矽光子(Si photonic)的技術。矽光子技術是使用純熟的矽半導體製程平台，將光通訊所需使用的被動元件如波導管(wave guide)、分割器(splitter)、結合器(combiner)及相位調變器(phase modulator)，甚至於主動元件的光接收器(photo-detector)，製作在矽基板或是SOI (Si on insulator)的基板上。

矽光子技術不僅提供了光學元件外，更可以將半導體雷射晶片，以及處理電訊號的IC，整合在同一個平台上，以達到微小化以及減少訊號在傳輸上的損耗。於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)將不同基板的各式元件，可以整合在一個平台之上的微小化封裝技術。未來在400 Gbps以上的光通訊模組，矽光子技術將越形重要，這也是為什麼這幾年大公司拼命在買矽光子的公司，而矽光子技術在經過近20年的慘澹經營，終於撥雲見日而揚眉吐氣了。

資料中心每年如此巨大的投資金額，並不亞於無線基地台建置所需的資金。台灣除了台積電提供了先進的晶圓製程技術，在其他相關的設備，如伺服器、交換器、SSD儲存模組，及光通訊模組，台廠也都扮演重要的角色。

這幾年的趨勢是不斷地去中間化，導致白牌 (white box)專業代工廠的興起。以伺服器為例，台廠在OEM 及白牌加起來的全球市佔率超過九成。而去中間化也逐漸在5G基地台上發酵，在此浪潮下受到影響的廠商，會是如Nokia、Ericsson、Cisco、HP、Dell、華為等的品牌設備大廠。台灣的廠商夾其在技術上深厚的實力，雖不具有品牌優勢，但必然能在此去中間化的過程中，與資料中心或5G的營運商充分配合，創造出另一個產業的春天！