光互連，愈發重要

隨處可見的傳感器增多以及人工智能/機器學習幾乎滲透到所有事物中，導致數據爆炸式增長，這加大了數據中心利用光學互連來加速數據吞吐量并減少延遲的壓力。

光通信已經使用了幾十年，從長途通信開始，逐漸發展到將外部存儲連接到服務器機架，然后再連接到這些機架內的服務器。最近，它被關注于不同模塊和先進封裝之間的通信，最終它可能成為一種以最少的熱量和功率加速先進封裝內部數據移動的方法。

挑戰在于將光子與電子結合起來。從歷史上看，該級別的互連很笨重且有些不可靠，但隨著業界認識到對光學技術的需求，它們正在迅速改進。這種情況已經在超大規模數據中心中發生，它們的設計比企業數據中心更加統一，并且沒有單點故障?！霸谄髽I數據中心，您每天都會看到變化，” Cadence杰出工程師 Mark Seymour 說道?！霸诔笠幠Ｆ髽I中你看不到這一點。此外，在超大規模企業中，如果出現故障，也并不重要，因為它們只是轉移工作負載?！?/p>

這有助于解釋為什么超大規模廠商始終處于光學技術的前沿。但隨著越來越多的人工智能/機器學習以及需要處理的數據越來越多，所有類型的數據中心內對更低延遲、更低功耗和更低熱量的需求變得越來越普遍。

“在數據中心內部，光連接可以分為兩種類型，” Synopsys技術營銷經理 Jigesh Patel 說?！耙粋€是機架間，另一個是背板或機架內。通常，多模光纖用于兩者。由于光子學具有更好的熱效率、光譜效率和能量效率，硅光子學正在迅速取代用于提供板載和片上連接的傳統銅互連。該行業正在逐漸從片上系統設計方法轉向單一封裝中的芯片系統?！?/span>

除了這種轉變之外，該行業從銅纜到光纖的轉變只是基礎數學?！耙悦棵?200 吉比特的速度運行的銅纜將會產生損耗，”是德科技IP 有線解決方案高級戰略規劃師 John Calvin 表示?！袄纾? 米長的電纜將產生約 34 dB 的損耗。即 50:1 的信號損失。首先，****上有 50 毫伏信號?，F在接收器處的電壓已降至 1 毫伏。那就是問題所在。這種損失基本上是被燃燒成熱量的電信號，這就是殺死數據中心的原因。[相比之下]，您可以在光纖上發送光信號數十公里，并且信號降低 1 dB。”

互連選擇細分

我們來看一下當前互聯的兩種選擇。

首先看銅選項：直連銅纜 (DAC) 兩端都有一個高密度連接器，并通過銅差分傳輸線將兩個連接器連接在一起。在數據中心的高速度下，DAC 適用于大約兩米的互連。有源銅纜 (ACC) 可以處理銅纜和光纖之間的中等長度，比光纖更具成本效益。

其次看光學選項：當中可分為單模光纖，纖芯直徑8至10μm；多模光纖，芯徑50至100多毫米。雖然“多?！甭犉饋砜赡芨鼜碗s，但實際上單模使用起來更棘手且成本更高，甚至不考慮與單獨光纖的成本差異。

“單模光纖系統中使用的激光器和其他組件更加昂貴，”Patel指出。“由于光纖的纖芯直徑要小得多，因此****與光纖之間以及光纖與光電探測器之間的耦合容差比基于多模光纖的系統中的容差更嚴格。另一方面，與多模光纖相比，單模光纖提供了更高的帶寬，這意味著基于單模光纖的傳輸可以承載更大量的數據，傳輸更遠的距離?！?/p>

出于最務實的原因，多模光纖仍然很受歡迎。

“您可以從線軸上拉出多模光纖，將其劈開，將其插入連接器，然后就可以使用了，”是德科技的 Calvin 解釋道?！皢文９饫w需要精確的對準和光學器件，并且實際上是非常精確的切割。通常，您從供應商處購買單模光學器件時會考慮到特定的適配應用。您的數據中心沒有單模光纖線軸，您可以在其中提取互連所需的數量。這就是讓人瘋狂的原因。他們需要靈活性，而多模光纖雖然效率較低且無法達到單模光纖那么遠，但它是數據中心運營商最好的朋友，因為它很好、易于擴展且使用靈活。我們一直想知道多模式何時會消亡，但由于其靈活性，它永遠不會消亡?！?/p>

這些基礎技術還進行了其他修改，包括采用密集波分復用 (DWDM) 的單模光纖（可分割頻譜以提供更多帶寬并在更遠的距離上廣播信號）以及相干光學（可混合和放大信號）。

“如果實施 802.3 CT 或 CW，它就是一個相干光鏈路，這是對光譜最有效的利用，可以連接 40 公里或更遠的鏡像（備份）數據中心，”Calvin 指出。

通信鏈中的下一個環節也面臨著一系列挑戰。

Broadcom 光學系統的營銷和運營部門副總裁 Manish Mehta 解釋說：“為了輸入和輸出數據，需要一小部分連接，即直銅纜，但其傳輸距離相當短，不超過幾米。” “如果您想從交換機到另一臺設備的距離超過幾米，則必須進行光學傳輸。今天的方法是使用可插拔光纖收發器。作為參考，每個收發器的帶寬為 400 GB/秒，其中一個交換機最多可插入 32 個收發器。這是一個 12.8 TB 的交換機。收發器的核心部件之一是半導體激光器，然后還有一些驅動該激光器的IC。但需要許多小型機械部件來固定不同的機械裝置。例如，要將光纖從激光器連接到模塊的前部，需要具有應力消除裝置，以便可以在惡劣的環境條件下運行?！?/p>

這會導致擴展問題，從而推動行業的一些創新，例如共同封裝光學器件。

Mehta說：“超大規模企業每年購買的約 1000 萬個此類設備幾乎都是在亞洲各地的工廠手動組裝的?！?“超大規模企業認為這是不可擴展的，尤其是隨著時間的推移，因為銅線在數據中心所需的范圍內傳輸數據的能力越來越差。每當您經歷速度一代時，從 100Gb SerDes 到 200Gb SerDes 甚至更高，您都會根據物理定律減少銅的覆蓋范圍。數據中心需要更多的光纖連接。這就是必須解決的問題。現在，花在這些光收發器上的金額使 ASIC 相形見絀，而且它們并不是全行業最可靠的設備。處理這個問題的超大規模范例是，如果一個不起作用，他們將其拔出并插入另一根。光學器件硅化是絕對必要的?！?/p>

圖 1A：光學互連的現在和未來

圖 1B：Broadcom 的聯合封裝光學器件設計

重新思考互連

Broadcom 的解決方案是采用八個 800 Gb 收發器并將它們整合到單個光學 6.4T 光學引擎 (OE) 中，并將它們與交換機 ASIC 集成在公共基板上，以提供系統所需的所有光學連接。對于 51.2T 交換機，您需要八個這樣的 6.4T 光學引擎。

一些初創公司也在解決光學互連問題。例如，Lightmatter 提供了一個通信層，該層位于基板和 ASIC 之間。這提供了更多的布局選項，因為它解決了電信號衰減等問題。

Lightmatter 硬件工程副總裁 Richard Ho 解釋說，該通信層的功能類似于 OCS（光電路交換機），但位于硅上?！盎旧希斘覀兣渲盟鼤r，我們從通信層中的任何一個節點到該層中的所有其他節點都有直接的點對點連接，并且您可以動態地重新配置它。您可以將其設置為進行全方位通信，也可以將其設置為環，或者將其設置為 3D 超環形。有所有這些類型的配置，因為它是在硅中，我們有辦法控制它，我們可以控制光的去向。但一旦我們以某種方式設置它，它就會變得像一根電線。它直接到達另一個位置——速度非常快。因此，您基本上能夠在很短的時間內重新配置計算機包裝內的電線。這是獨特的技術。你不能用電力來做到這一點。你只能用硅光子學來做到這一點?！?/p>

圖2：通道通信層

Celestial AI 還擁有光學互連解決方案，該公司聲稱該解決方案比目前用于傳輸光學信號的環形諧振器更熱穩定，并且應該可以與 ASIC 進行更緊密的通信。“我們正在提供一直到計算點的光學連接，”Celestial AI 首席執行官 David Lazovsky 解釋道?！霸S多共同封裝光學領域的公司都在研究有線轉發技術，這意味著你以電子方式向我發送信號，我要做的就是將其轉換為光學信號，然后將其以電子方式發送出去。光纖另一端的信號。在Celestial AI，我們提供全棧解決方案。我們有一個協議自適應層，可以提供與客戶現有基礎設施的兼容性。”

圖3：Photonic fabric configurations

直接光纖布線

雖然光子學領域的大多數創新工作都集中在光學收發器或精煉激光輸出等工程組件上，但韓國初創企業 Lessengers 開發了一種新型光纖，作為其稱為“直接光纖布線”方法的一部分（DOW ）。該材料目前作為該公司 HPC 解決方案的一部分進行銷售，但正在考慮在未來可能獲得許可。

Lessengers 首席營銷官 Taeyong Kim 表示：“這種材料能夠在室溫下運行，這意味著它的大部分在室溫下呈液態，并在布線過程中固化。” “通過改變一組參數，如接線尖端的機械尺寸、接線速度、混合物的比例等，可以輕松地將電線的形狀控制為更寬的形狀，或不同類型的形狀。用戶可以優化接線配方和內部陶氏機器完成剩下的工作?！?/p>

圖 4：直接光纖布線

以太網和 PCIe

無論是銅纜還是光纖，PHY 都使用剛剛慶祝其 50 周年的協議 - IEEE 802.3 以太網。“以太網的發展超出了所有人的預期，它確實是數據中心用于連接一切的結構，”Calvin 說。“以太網數據包很棒，因為它們的擴展性非常好。”

就連它的支持者也承認，隨著時間的推移，它會吱吱作響，但該行業正在努力解決問題?！按_實，以太網帶來了一些負擔。它是一個負載很重的協議，已經發展了 50 多年，因此它不像一些更現代的協議那么簡潔和刻薄，”Calvin 說。“超級以太網聯盟將調整以太網以使其運行速度更快。不過，歸根結底，您不想偏離以太網太遠，因為當信號協議進出數據中心時，它將是以太網?！?/p>

PCIe 是當前銅互連的首選協議。然而，隨著標準的發展，銅可能會失去青睞。

Patel 表示：“雖然最多 6 個 PCIe 版本主要使用銅纜，但帶寬、延遲和能耗方面的限制已經很明顯，這激發了人們對線性直接驅動光學引擎的巨大興趣?！?“光學引擎帶來的好處包括更高的帶寬、由于無需重定時器而降低的能耗、低延遲以及由于消除了可插拔模塊中的數字信號處理 (DSP) 而降低的成本?！?/p>

還有其他選擇?！澳梢赃x擇以串行鏈路還是并行鏈路進行傳輸，這就是 SerDes 的用武之地，”Patel 說?！八梢允侨姎?SerDes，也可以是線性驅動 SerDes，其中 SerDes 硬件內還有一個光學引擎，這就是光學互連的用武之地。銅纜可以傳輸到 PCI、4、5 甚至 6，但在 6 時，銅的局限性已經顯而易見。”

這種限制在能源消耗中顯而易見，這增加了數據中心的冷卻要求?！癙CIe 的下一版本 PCIe 7 將于 2025 年發布。每通道支持的數據速率將為 32GB/s，”他說?！霸S多業內人士認為，為了支持如此高的數據速率，光學的使用是不可避免的。事實上，PCI-SIG 最近成立的一個工作組正在研究通過光連接提供 PCIe 技術?！?/p>

Synopsys 的高級技術產品經理 Richard Solomon 再次展望了未來，“CXL 使用 PCIe 傳輸。一旦光學 PCIe 變得更加普遍，CXL 將構建在其之上。導致 PCI SIG 想要采用光纖的一些驅動因素是我將在數據中心周圍從一個盒子運輸到另一個盒子的使用模型。沒有人認為光纖 PCI 和 CXL 的傳輸距離會超過 10 米。但如果我可以從上到下或從機架到機架進行操作，這在數據中心仍然是一個巨大的優勢。想象一下所有這些與更接近 DRAM 延遲相關的事物?！?/span>

新想法不斷涌現

隨著對舊協議的依賴和多模光纖的持續存在，該行業正在不斷向前發展。

8 月，OIF 宣布了外部激光小型可插拔 (ELSFP) 實施協議 (IA)，該協議定義了針對共同封裝光學系統和其他多激光外部激光源應用量身定制的前面板可插拔外形。

據 OIF 稱，IA 包括對前面板（系統最酷的部分）放置激光源的定義，從而增強系統可靠性并在必要時允許高效的“熱插拔”現場更換。

“這些用于新興的高密度光學器件，常見于人工智能和機器學習等應用中，”卡爾文說?！盎旧希@些是超大規模數據中心內使用的新興互連技術，目前正在以極低延遲、高速、高性能的要求推動這個行業的發展。”

結論

隨著標準和物理的不斷發展，以及 AI/ML 市場的推動，光學互連將繼續發展。分析公司 Light Counting 預測，到 2027 年，光學元件市場規模將達到 200 億美元，所有行業都將增長——包括老式備用設備、以太網。

來源：商業周刊（臺）

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