數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)模塊發(fā)展趨勢及新技術(shù)研究

宋夢洋，朱 虎，江 毅（武漢光迅科技股份有限公司，湖北武漢 430205）

0 引言

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、超高清視頻、人工智能、5G行業(yè)應(yīng)用等快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)訪問頻率、接入手段、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算需求不斷增加。特別是隨著AI 大模型應(yīng)用的快速發(fā)展，國內(nèi)外公司紛紛推出相關(guān)模型，各地開始啟動智算數(shù)據(jù)中心建設(shè)。國際知名咨詢公司LightCounting 數(shù)次上調(diào)光互聯(lián)模塊市場規(guī)模預(yù)測，主要驅(qū)動力均來源于AI 大模型智算數(shù)據(jù)中心旺盛的算力需求。

根據(jù)中國信息通信研究院發(fā)布的《中國算力發(fā)展指數(shù)白皮書（2022）》（見圖1），2021年美國算力規(guī)模占全球份額的34%，中國以33%的占比位居全球第二。美國、中國、日本的GDP 依次位居全球前三，而三者的算力能力也為全球前三，算力規(guī)模與國家GDP 呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系［1］。2023 年10 月，工業(yè)和信息化部等六部門聯(lián)合印發(fā)《算力基礎(chǔ)設(shè)施高質(zhì)量發(fā)展行動計(jì)劃》，完善算力綜合供給體系，提升算力高效運(yùn)載能力。2023 年12 月，國家發(fā)展改革委等五部門聯(lián)合印發(fā)《深入實(shí)施“東數(shù)西算”工程加快構(gòu)建全國一體化算力網(wǎng)的實(shí)施意見》，大力推進(jìn)算力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，預(yù)計(jì)到2025 年底，綜合算力基礎(chǔ)設(shè)施體系將初步成型。

圖1 2021年全球算力分布情況［2］

算力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要高速率、高帶寬與高能效的互聯(lián)技術(shù)來支撐，將高性能計(jì)算數(shù)據(jù)中心、AI 數(shù)據(jù)中心以及基礎(chǔ)算力數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一連接起來，形成集成化的數(shù)據(jù)中心，從而實(shí)現(xiàn)算力的協(xié)同調(diào)度。

在這些需求帶動下，用于數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的光模塊處于高速發(fā)展階段：400 Gbit/s光互聯(lián)模塊發(fā)貨量快速增長，800 Gbit/s進(jìn)入批量化進(jìn)程，更高速率的1.6 Tbit/s 光互聯(lián)模塊研發(fā)工作已經(jīng)開展，全球主要標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)和多元協(xié)議組織（MSA）紛紛啟動了基于單通道200 Gbit/s 的1.6 Tbit/s 光模塊標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定，IEEE 在2021年底給出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)計(jì)完成時(shí)間（見圖2）。

圖2 基于單通道200 Gbit/s的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間節(jié)點(diǎn)［3］

1 數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)模塊發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)應(yīng)用主要分為兩大類（見表1）：一類是數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的互聯(lián)，典型光纖傳輸距離為2 km 及以內(nèi)；一類是數(shù)據(jù)中心之間的互聯(lián)，典型光纖傳輸距離為80 km及以上。

表1 數(shù)據(jù)中心互聯(lián)場景［4］

典型光互聯(lián)方式包含以下幾種。

a）直連電纜（DAC），該方案采用銅纜，傳輸距離隨帶寬的增加而減少，但成本相對較低。

b）有源光纜（AOC），將光纜和光模塊進(jìn)行集成，光纜可根據(jù)傳輸距離進(jìn)行配置，傳輸距離通常為100 m及以內(nèi)。

c）光模塊，根據(jù)傳輸距離需求采用不同規(guī)格的光模塊，用于連接服務(wù)器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，承載高速數(shù)據(jù)的收發(fā)。

在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)場景中，以上幾種互聯(lián)方式均有采用，隨著數(shù)據(jù)中心不斷向高帶寬、高速率演進(jìn)，并且由于供電、GPU 應(yīng)用數(shù)量等原因，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)以基于直調(diào)直檢方案的光模塊和AOC 為主。在數(shù)據(jù)中心之間的互聯(lián)場景中，主要采用相干光模塊進(jìn)行連接。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光互聯(lián)模塊的發(fā)展與交換機(jī)交換芯片串行-解串行器（Serdes）的發(fā)展進(jìn)度密切相關(guān)，交換機(jī)及光模塊發(fā)展趨勢見表2。2023 年交換芯片Serdes 的速率達(dá)到112 Gbit/s，交換芯片吞吐量相應(yīng)達(dá)到51.2 Tbit/s，根據(jù)交換芯片演進(jìn)趨勢、市場需求及技術(shù)成熟度，預(yù)計(jì)2025 年交換芯片吞吐量將達(dá)到102.4 Tbit/s，2027 年將達(dá)到204.8 Tbit/s，光互聯(lián)模塊也需要相應(yīng)演進(jìn)到1.6 Tbit/s和3.2 Tbit/s對其實(shí)現(xiàn)有效支撐。

表2 交換機(jī)及光模塊發(fā)展趨勢預(yù)測

相干技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心之間互聯(lián)的主流方案。在多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織的大力推進(jìn)下，400 Gbit/s光模塊已發(fā)布多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，如400ZR、400G OpenROADM、Open ZR+等均采用DWDM 技術(shù)，在C 波段進(jìn)行傳輸，結(jié)合DP-16QAM 調(diào)制格式，可實(shí)現(xiàn)80～120 km（純裸纖傳輸距離為40 km，增加光放可達(dá)到120 km）的高速傳輸。

隨著400 Gbit/s 光互聯(lián)模塊的批量化應(yīng)用，800 Gbit/s 光互聯(lián)模塊開始進(jìn)入樣品或小批量發(fā)貨階段，標(biāo)準(zhǔn)研究接近尾聲（見表3和表4），后續(xù)隨著標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布，將逐步走向批量化應(yīng)用。

表3 800 Gbit/s光模塊標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

表4 800 Gbit/s光模塊標(biāo)準(zhǔn)部分技術(shù)方案［4］

2 數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)發(fā)展趨勢及新技術(shù)

AI 算力網(wǎng)絡(luò)與常規(guī)數(shù)據(jù)中心相比，對計(jì)算的需求量每18 個(gè)月增長10 倍，對高帶寬、低時(shí)延的光互聯(lián)需求更加迫切。目前國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化組織紛紛啟動1.6 Tbit/s光互聯(lián)模塊的研究工作，主流光模塊廠家均已完成1.6 Tbit/s光模塊的樣機(jī)研制工作（見表5）。

表5 1.6 Tbit/s光模塊標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

隨著速率和帶寬的增長，功耗也隨之成倍增長。交換芯片、SerDes 和光模塊是功耗增加的主要因素。據(jù)推算，交換機(jī)從640 Gbit/s發(fā)展至51.2 Tbit/s，帶寬增長80 倍，功耗同時(shí)增長22 倍。其中，專用集成電路核心（ASCI Core）的功耗增長8 倍，系統(tǒng)風(fēng)扇的功耗增長11 倍，交換芯片SerDes 的功耗增長25 倍，光模塊功耗增長26倍。將51.2 Tbit/s交換機(jī)的整機(jī)功耗按照上述4 個(gè)維度進(jìn)行分解，光模塊的功耗約占交換機(jī)整機(jī)功耗的一半。因此在進(jìn)行更高速率光互聯(lián)模塊開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，功耗是無法繞開的瓶頸，目前行業(yè)中正在蓬勃發(fā)展的各項(xiàng)新技術(shù)，其主要需求驅(qū)動均為功耗控制。

2.1 光電集成——硅光技術(shù)

硅基光電子（簡稱硅光子）基于微米/納米級光子、電子及光電子器件的新穎工作原理，可使用與硅基集成電路技術(shù)兼容的技術(shù)和方法，在同一硅襯底上實(shí)現(xiàn)單片或混合集成［5］。以此為基礎(chǔ)的硅基光電子集成平臺，可以利用現(xiàn)有的微電子工藝和成果，在硅襯底上同時(shí)集成微納米尺寸光學(xué)回路與各類CMOS 集成電路如調(diào)制器、探測器、互阻放大器、數(shù)字信號處理模塊以及各類無源器件等，形成具有若干種功能的大規(guī)模集成芯片。硅光子技術(shù)結(jié)合了CMOS 技術(shù)的超大規(guī)模邏輯、超高精度制造特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗優(yōu)勢，是一種可解決技術(shù)演進(jìn)與成本矛盾的創(chuàng)新性熱點(diǎn)技術(shù)，并已在通信光模塊應(yīng)用中發(fā)揮了積極作用，目前其技術(shù)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品與應(yīng)用進(jìn)展也在不斷推進(jìn)［5］。

硅光子集成技術(shù)的發(fā)展受到多方力量驅(qū)動。首先，從集成角度來看，集成光器件相比分立光器件具有體積小、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，可以大大減少分立光器件的數(shù)量和封裝界面，減少傳輸路徑，從而降低產(chǎn)品功耗；其次，從材料角度來看，硅相對于InP 和GaAs 等半導(dǎo)體材料價(jià)格更為低廉，且有望基于現(xiàn)有成熟、發(fā)達(dá)的微電子工藝，發(fā)揮規(guī)模優(yōu)勢提高工業(yè)化水平，從而進(jìn)一步降低成本。

硅光子產(chǎn)品主要包括硅光子集成芯片和硅光子光模塊（見圖3）。目前硅光子技術(shù)憑借高集成度、低功耗、小型封裝、大規(guī)?？缮a(chǎn)性等優(yōu)勢，與共封裝技術(shù)和薄膜鈮酸鋰調(diào)制技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，有望在800 Gbit/s、1.6 Tbit/s甚至更高速率的短距和相干應(yīng)用中成為主力方案。

圖3 1.6 Tbit/s光收發(fā)模塊的COB封裝器件

根據(jù)LightCounting 預(yù)測，到2028 年，硅光產(chǎn)品的市場份額將從2022年的25%增長至43%，領(lǐng)先的供應(yīng)商都在布局硅光技術(shù)。但硅光技術(shù)的耦合效率仍相對較低，產(chǎn)業(yè)鏈完整性相比于Ⅲ-Ⅴ族仍有缺失，垂直整合能力有限。目前，國內(nèi)硅光廠家已經(jīng)開始硅基光電芯片晶圓級測試方法、硅光集成芯片技術(shù)規(guī)范等方面的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制工作。

2.2 共封裝技術(shù)

光電合封（CPO）是將交換芯片、專用集成電路（ASIC）和光/電引擎（光收發(fā)器）共同封裝在同一基板上，使引擎盡量靠近ASIC，以最大程度地減少高速電通道損耗和阻抗不連續(xù)性，從而有效降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

光電合封的技術(shù)方案和應(yīng)用場景主要聚焦在以下2個(gè)方面。

a）基于垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）和多模光纖的解決方案，以30 m 以內(nèi)的應(yīng)用為主，主要面向超算及AI機(jī)群的短距離光互聯(lián)。

b）基于硅光和單模光纖的解決方案，以2 km以內(nèi)的應(yīng)用為主，主要解決大型數(shù)據(jù)中心機(jī)架及機(jī)群之間的光互聯(lián)。

相較于可插拔光模塊以及板載光模塊，光電合封技術(shù)有如下優(yōu)勢。

a）光模塊中高速電信號在印制電路板（PCB）上傳輸越來越困難，目前的PCB技術(shù)將112 Gbit/s以上的電信號從交換芯片傳送到位于交換機(jī)面板的光模塊難度較大。光電合封技術(shù)將交換芯片與光電轉(zhuǎn)換單元封裝在一起，可降低高頻線路以及信號完整性電器件的使用要求，突破電信號傳輸瓶頸，提高數(shù)據(jù)通信的交換容量。

b）光電合封技術(shù)將光引擎置于板載上，靠近ASIC芯片，可釋放前面板的壓力。

c）在熱插拔光模塊中，DSP 是高功耗的主要來源。在光電合封場景中，考慮到交換芯片本身具有均衡能力，可直接由交換芯片的Serdes驅(qū)動光引擎，光模塊中高功耗的DSP/CDR 可被省略，從而降低功耗。此外，光電合封技術(shù)采用外置光源方案，將激光器置于光收發(fā)單元外部，可降低光收發(fā)單元的熱量，同時(shí)便于維修，出故障時(shí)只更換激光器即可，進(jìn)而降低成本［6］。

1.6 Tbit/s光模塊雖然已基本確認(rèn)仍將采用可插拔方式設(shè)計(jì)生產(chǎn)，但隨著AI計(jì)算等大交換機(jī)吞吐量需求的出現(xiàn)，光電合封技術(shù)在提升整個(gè)鏈路性能方面具有較大潛力，或?qū)⑹歉咚俾使饣ヂ?lián)的主流解決方案。CPO 技術(shù)目前仍有許多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，例如高密度光纖連接的管理、散熱管理、封裝測試的良率以及可靠性等問題，需要業(yè)界共同摸索和實(shí)踐。標(biāo)準(zhǔn)化方面，OIF 已發(fā)布外置光源和3.2 Tbit/s 的CPO 標(biāo)準(zhǔn)，CCSA也立項(xiàng)了關(guān)于外置光源的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 薄膜鈮酸鋰調(diào)制技術(shù)

伴隨著光刻技術(shù)的不斷進(jìn)步和混合集成工藝的發(fā)展，鈮酸鋰薄膜脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制造為薄膜鈮酸鋰調(diào)制器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。薄膜鈮酸鋰調(diào)制器繼承了體材料鈮酸鋰良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性，具有光學(xué)窗口寬、電光系數(shù)大、高線性度等優(yōu)點(diǎn)，并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效避免調(diào)制效率低、尺寸大等缺點(diǎn)。薄膜鈮酸鋰調(diào)制器的技術(shù)核心是對光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，使其光電響應(yīng)匹配，提高工藝精度，損耗減少，從而實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗、小尺寸、低驅(qū)動電壓的新型調(diào)制器，降低光互聯(lián)模塊的功耗。

各大廠商正在積極開發(fā)800 Gbit/s 光互聯(lián)芯片，128 GBaud 波特率相干光通信芯片以及60～70 GHz 以上帶寬的特種通信用調(diào)制器芯片，它將成為未來超高速光互聯(lián)領(lǐng)域的主流方案之一。

2.4 線性直驅(qū)技術(shù)

在光模塊內(nèi)部，發(fā)送端信號需經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC），將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號；在接收端，模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）后，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字信號處理（DSP）芯片的主要功能是進(jìn)行ADC/DAC、變速管理芯片（gearbox）的信號變速、電信號劣化補(bǔ)償以及時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）。DSP 是高速光模塊的關(guān)鍵部件之一，但是功耗較高，其功耗約占光模塊總體功耗的50%～60%。

線性直驅(qū)技術(shù)（LPO）在光模塊中去除DSP/CDR芯片，模塊內(nèi)部只處理線性信號，由設(shè)備側(cè)進(jìn)行非線性信號的處理，從而降低光模塊的功耗和成本。目前，LPO技術(shù)已在400 Gbit/s、800 Gbit/s速率上得到一定應(yīng)用，但傳輸距離主要為500 m 及以內(nèi)，后續(xù)的規(guī)?；瘧?yīng)用還需要技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、測試方法的建立以及標(biāo)準(zhǔn)的牽引。目前中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會已經(jīng)啟動LPO光模塊研究課題，為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行行業(yè)和技術(shù)分析。IPEC也啟動了關(guān)于LPO方面的研究。

2.5 液冷光模塊技術(shù)

為解決數(shù)據(jù)中心高密度設(shè)備散熱和降低電源使用效率（PUE）的難題，液冷技術(shù)已獲得廣泛應(yīng)用，從而產(chǎn)生對能夠在液冷環(huán)境中配套使用的液冷光模塊的需求。

液冷光模塊需防止冷卻液進(jìn)入光模塊內(nèi)部光路，即光器件、光器件與光接口之間、光接口與尾纖之間存在的光路需整體采用密閉封裝（液密封裝），以實(shí)現(xiàn)同外部冷卻液的完全隔離。液冷光模塊的密封技術(shù)包括氣密封裝和液密封裝或者2 種封裝方式的結(jié)合，這些技術(shù)保證光模塊的密封性，防止氣體或液體從內(nèi)部泄漏到外部或從外部進(jìn)入內(nèi)部等。

液冷光模塊能夠很好配合系統(tǒng)進(jìn)行散熱，但相比常規(guī)光模塊在成本方面有一定增加。主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是物料成本，需采用絕緣、導(dǎo)熱性能好、穩(wěn)定性強(qiáng)的密封材料；二是加工成本，需通過較高的工藝和制造水平實(shí)現(xiàn)密封，且不能影響原性能參數(shù)、電磁兼容特性等要求［7］。

目前中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會已經(jīng)完成用于液冷系統(tǒng)中的光模塊的研究課題，正在進(jìn)行用于液冷系統(tǒng)的光模塊的標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)申請。

3 結(jié)束語

隨著算力網(wǎng)絡(luò)概念的提出和推進(jìn)，數(shù)據(jù)中心將進(jìn)入高速發(fā)展快車道，光互聯(lián)模塊的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，國內(nèi)外企業(yè)積極開展各項(xiàng)新技術(shù)的研究和實(shí)踐。建立和完善涵蓋光互聯(lián)模塊產(chǎn)業(yè)上下游的產(chǎn)業(yè)生態(tài)至關(guān)重要，為數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的健康發(fā)展提供有效支撐。