技術文章分析 | iPronics 用圖論替矽光子 OCS 算帳：128×128 高 radix，Double Dilated Benes 才是今天能做的解

6月25日
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1. 這篇是誰發的、為什麼重要

發表者是 iPronics Programmable Photonics（西班牙瓦倫西亞的可程式光子新創，共同創辦人之一 Daniel Pérez-López 為共同作者），論文發表在 Journal of Lightwave Technology（JLT）。

為什麼重要？因為 光電路交換（Optical Circuit Switch，OCS）是 AI 資料中心 scale-up / scale-out 的關鍵拼圖——它用「不轉電」的方式降延遲、省能、增頻寬。但到目前為止，MEMS OCS（Google Apollo 那一派）已量產、可靠、便宜，是現在進行式的賺錢工具；MEMS 靠機械動作、重構速度與可靠度受限。矽光子 OCS（用 Mach-Zehnder 干涉儀 MZI 當 2×2 交換單元）沒有動件、重構快、可大量生產，被看好能接手，但能不能做到 128 高 radix 一直沒被系統性回答。

這個 OCS 的 MEMS vs SiPh 之爭，我們在 OCP 2026 白皮書：OCS 正式從 Google 內部專利走進整個資料中心產業的工具箱與 Google 親手拆解 TPU，與「光交換」這個隱藏功臣都談過。iPronics 這篇補的是另一面——把架構選型變成可計算的 benchmark。

把光交換網路建成圖——以 MZI 為 2×2 交換單元的 4×4 Benes 電路、其圖論表示，以及五種架構（Dilated Benes / Double Dilated Benes / PILOSS / Dilated Banyan）。圖片來源：iPronics, JLT 2026 - Figure 1

2. 核心問題：哪種架構能撐到 128×128 又三面兼顧

一句話：在現有矽光子製程下，哪種 OCS 架構能撐到 128×128 高 radix，同時兼顧 loss、SNR、blocking？

iPronics 用圖論把每種網路建成圖（節點＝switch cell / crossing，邊＝波導），再用 pathfinding 演算法直接在圖上跑 routing 與 blocking 分析。這讓「硬體複雜度／光學損耗／SNR／blocking」四個指標能在同一個框架裡一次算出來，而不是靠直覺選架構。

兩種 routing 策略也被納進來：random（隨機選路）與 sorted（minimum index，系統性優先上方路徑）。重點在非同步交換（asynchronous），反映真實世界不可預測的 IO 請求——這是最壞情況的壓力測試。

3. 關鍵圖表逐一解析

3.1 硬體複雜度：Benes-like 是 O(N log N)，PILOSS / Dilated Banyan 是 O(N²)

這張圖展示了五種架構的交換單元數、stage 數、crossing 數隨 radix 怎麼長。Benes-like 網路隨 radix 以 O(N log N) 成長（radix 倍增、cell 約倍增）；PILOSS 與 Dilated Banyan 是 O(N²)（radix 倍增、cell 增四倍）。

結果很殘酷：Dilated Banyan 在 128×128 要 超過 32,000 個交換單元；而 Benes-like 只要 12–16 個 stage。不過 Double Dilated Benes 的 crossing 數最誇張——128×128 worst-case 路徑接近 700 個 crossing（平均約 360），這是其高完整性要付的代價。

圖片說明：Figure 3：硬體複雜度——(a) 各架構交換單元與 stage 數（radix 8–128）；(b) 每條路徑穿越的波導 crossing 數分布。圖片來源：iPronics, JLT 2026 - Figure 3

3.2 光學性能：Dilated Banyan SNR 最佳，PILOSS 高 radix 崩盤

這張圖展示了五種架構的 SNR 與 loss。Dilated Banyan SNR >50 dB（甚至 64 ports 仍跨整個 O-band >40 dB），最佳；標準 Benes 最差（低 radix corner 波長約 10 dB）；PILOSS 高 radix 因 stage 太多、串擾來源暴增而 SNR 崩潰。

Loss 方面（依 Table I 元件參數：交換單元 0.2 dB、crossing 0.002 dB、edge coupler 0.5 dB、偏振元件 0.4 dB、波導 0.5 dB/cm）：Benes loss 最低，Dilated Banyan 128×128 <6 dB，Dilated 系列 <7 dB；而 PILOSS 128×128 loss 暴衝到 >25 dB，只有 32×32 還能維持 <10 dB。

Figure 4：光學性能——(a) 交換單元與 crossing 的消光比 ER；(b) 各架構 SNR vs 波長與 radix；(c) PIC loss 隨 radix 與架構的箱型分布。圖片來源：iPronics, JLT 2026 - Figure

3.3 Blocking：Double Dilated Benes 是 Benes 系裡最能抓的

這張圖展示了非同步交換下的 blocking 行為。WSNB / SNB 拓樸（PILOSS、Dilated Banyan）保證任何閒置 IO 對都能不阻塞接通；RNB 拓樸（Benes、Dilated Benes）則可能阻塞。論文用 incremental 與 dynamic 兩種實驗、並區分 conflict 1（共邊→blocking）與 conflict 2（共節點→一階串擾，更嚴格）。

關鍵結論：Double Dilated Benes 在 conflict 1 零 blocking、conflict 2 也低；dynamic 實驗最苛刻條件下（arrival rate=1、conflict 2、sorted），其 per-request blocking 在 128×128 低於 0.04，而標準 Benes / Dilated Benes 幾乎全 block。sorted 路由比 random 低 blocking——聰明的路由演算法本身就是可撐度的一部分。

Figure 6：dynamic 實驗的 blocking——per-iteration（PI）與 per-request（PR）隨連線存續時間變化，Double Dilated Benes 顯著優於其他 Benes 系架構。iPronics, JLT 2026 - Figure 6

4. 技術亮點：把「選架構」變成一道計算題

最大的貢獻不是某個單點數字，而是把 OCS 架構選型從「經驗之談」變成「可重現的圖論 benchmark」。五種架構、radix 8–128、兩種路由、兩種衝突定義、incremental 與 dynamic——全部用同一套圖模型跡出來。

第二個亮點是找出了甜蜜點：Table II 總表把硬體、光性、blocking 三軸攝在一起看，結論是 Double Dilated Benes 在「128 radix、可製造面積、可接受 blocking」三者間取得最佳平衡。

Table II：五種架構總表——硬體複雜度（cells / crossings / die mm²）、光學性能（loss / SNR）與 blocking 類型與程度。圖片來源：iPronics, JLT 2026 - Table II

5. 產業連結：今天能做什麼、要等什麼

iPronics 是以「可程式光子處理器（類 FPGA 的可重構光子電路）」起家的新創，這篇是他們把自家的圖論／auto-routing 工具拿來替 OCS 設計算帳——是工具與 IP 的招牌，而非自己要跳下去量產 OCS。

今天能做：128×128 選 Double Dilated Benes，用現有矽光子製程就能做出 <7 dB loss、>45 dB SNR、~150 mm²、blocking 低。低 radix（≤32）則 Dilated Banyan 最佳（SNB、SNR >50 dB）。

要等的：Dilated Banyan 要上 128 radix，需要製程大躍進——論文推算，128×128 要把交換單元損耗降到 0.15 dB、crossing 降到 1.5 mdB；256×256 更要 0.1 dB 與 1 mdB。另外這些是串擾意義的 SNR，不是白噪訊；論文拿 PAM-4 100Gbps 需 OSNR >30 dB（BER <1×10⁻⁴）當參考基準。

這條 scale-up / OCS 路線的產業脈絡，可參考 SiPh interposer 才是 scale-up 的終局架構。

但別過度興奮。誠實的距離感是：這是模擬／benchmark，不是流過片的矽；Double Dilated Benes 仍是 RNB（有 blocking，需容忍 admissible blocking + 調度）；熱光學相移器 footprint 大（數百 μm），TFLN／相變材料可縮 footprint 與推到 ns 重構但那是另一層工程。

6. 總結

iPronics 這篇的價值，是把「SiPh OCS 能不能做高 radix」這個是非題，重新框成一個「選哪個架構」的工程選型題。答案很清楚：低 radix（≤32）走 Dilated Banyan；高 radix（128）今天走 Double Dilated Benes；PILOSS 過 32 就不要碰；標準 Benes 只適合能容忍 blocking 的場景。

對在評估 OCS（不論是 buyer 還是 builder）的人，這篇給的 actionable take 是——把「SiPh OCS vs MEMS」的二元問題，拆成「選 radix × 選架構 × 能不能容忍 blocking」的三軸決策。SiPh OCS 的窗口不是被「能不能」卡住，而是被「選不選對架構」決定。這就是 iPronics 這類工具型玩家的價值所在。

參考資料

Luis Torrijos-Morán, Zhenyun Xie, Celestino Bixquert-Marrades, Iñigo Belio-Apaolaza, Daniel Pérez-López, "Scalability Analysis of Silicon Photonics Optical Circuit Switch Architectures," Journal of Lightwave Technology（accepted）. DOI: 10.1109/JLT.2026.3705998. 發表單位：iPronics Programmable Photonics SL（西班牙）。資助：ERC Starting Grant（LS-Photonics）、HORIZON-EIC（EXCITE）。