硅光:数据中心互连新宠

在未来,大数据和人工智能将成为驱动数据中心市场的主要动力。因此,未来数据中心对于基于光的数据互联的需求可望进一步增加,而这也将进一步提升硅光子的市场规模。

为什么在数据中心采用硅光子学?

数据中心特点适合硅光子大量应用

目前数据中心常用的是叶脊结构,连接数众多,节点间距离短,同时流量迅猛增长使得光模块技术更新换代快。因此,数据中心适用大量成本敏感但对性能要求不高的模块(图1)。而这些特点,硅光模块都符合。硅光模块比传统铜线性能更优,光纤连接更适合大规模的板间互联。另一方面,硅材料相对于III-V族材料成本更为低廉,在数据中心的应用中优势凸显。
硅光:数据中心互连新宠

图1:数据中心结构特点适合硅光子大量应用

解决 I/O 瓶颈

面对日益增长的数据消耗需求,使得芯片运行速度越来越快,但光信号仍必须转换为电信号,才能与位于数据中心深处的电路板上的芯片通信。而硅光子可以使用异构集成与其他网络、存储和计算专用集成电路 (ASIC) 共同封装(CPO共封装技术,下周再讲),以实现直接来自硅芯片本身的半导体光学 I/O。随着到服务器节点的带宽不断扩大,以及铜线传输距离的缩短,将出现从网络接口卡 (NIC) 或直接来自服务器本身的光学 I/O 的用例。硅光:数据中心互连新宠

图2:硅光模块的CPO封装

降低功耗

数据中心的散热和功耗一直是业界关注的重点。由于硅光子技术是基于芯片间的光传输,去除了大量传统技术中光路的转化与处理过程,(传统技术光信号先经过收发器光转铜,再经过数字信号处理过程到芯片内),而硅光的传输路径无需多次转化,整体功耗将会有明显下降。相比传统光模块的接口技术,相同传输容量下,硅光子技术的功耗大约只有传统的30%左右。对数据中心来说,IT设备的功耗大幅度下降是对整体机房最大效率的节能。

硅光子在数据中心的应用现状

列举了硅光子在数据中心的使用优势,那么,现阶段,有哪些硅光模块已经在数据中心中部署商用了呢?
目前,硅光技术在第一代4x25G中,主要应用是500m内的100G QSFP28 PSM4;在第二代1x100G产品中,应用有100G QSFP28 DR1/FR1和LR1,作用于500m-10km场景中;在400G产品中,主要聚焦在2km以内的中短距离传输应用场景,产品有400G DR4。
硅光:数据中心互连新宠

图3:数据中心中硅光子的应用

第一代4x25G

对于第一代4x25G产品,PSM4硅光子方案光芯片功率被分为4路,目前仅在500米短距离相对成熟。100G短距离PSM4光模块中,引入硅光子技术后,25G激光器数量从4个减少为1个,并且集成的调制器和波导可使整体器件数量小于25个,大幅节约器件和组装成本。其中有源器件成本降低35%,无源器件成本降低39%。在500米数据中心互联的100G QSFP28 PSM4光模块产品市场,硅光子混合集成方案份额已经超过传统分立器件方案,目前已达到近80%。

第二代1x100G

在第二代1x100G产品中,有100G QSFP28 DR1(500m)/FR1(2km)和LR1(10km)。光口侧采用100G PAM4高阶调制,可直接和4x100G PAM4的400G硅光模块互联互通,进一步提升了链路的容量和组网的灵活性。硅光子100G光模块高度集成了调制器和无源光路,只使用1个激光器,实现4路信号的调制和传输,非常具有成本优势。

400G

在400G及以上速率,传统直接调制已经接近带宽的极限,EML的成本又比较高,而硅基器件不仅具有高调制带宽(>30GHz),在器件尺寸、集成规模和成本方面也具有优势。在数据中心400G时代,基于硅光子技术的光模块主要定位于500m~2km这个距离上(这里暂不考虑硅光子的相干技术)。

产品有400G QSFP-DD DR4,采用4路并行的106Gbps PAM4光信号,光纤为MPO接口单模光纤。硅光400G DR4既可以实现1分4的分支组网,与100G DR1/FR1对传,又可以替代接入侧短距离多模400G光模块互联,具备端到端成本竞争力。在单纤传输的优势下,与多波长光源封装可以方便地切换为WDM模块形态。

易飞扬早于2016年联合光纤在线推进硅光事业,也承担了深圳市政府关于硅光芯片开发的重大项目。目前已研发出3款硅光模块,分别是100G QSFP28 DR1/FR1和400G QSFP-DD DR4,100G和400G的硅光模块可以实现良好的互联互通。易飞扬硅光光模块凭借其信号质量的优越性,可以更好地适配带变速器的100G PAM4 DSP,取得长期可靠性和性能的均衡。

硅光模块 100G QSFP28 DR1 100G QSFP28 FR1 400G QSFP-DD DR4
传输距离 500m 2km 2km
光口速率 1x100G PAM4 1x100G PAM4 4x100G PAM4
电口速率 4x25G NRZ 4x25G NRZ 8x50G PAM4
功耗 <4.2W <4.2W <10W

表:易飞扬硅光模块参数表

参考文献:
1、硅光子技术在通信光模块中的应用研究,中国通信标准化协会;
2、Perspective on the future of silicon photonics and electronics,AIP;
3、硅光子通信技术引领通信I/O革命性变革,罗森伯格;

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