10/21/2024，光纖在線訊，近日，華為發(fā)布《數(shù)據(jù)中心 2030》2024版報(bào)告，報(bào)告指出：數(shù)據(jù)中心是新型數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的算力底座，也是加速數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“發(fā)動(dòng)機(jī)”。未來十年，數(shù)據(jù)中心既要實(shí)現(xiàn)百倍算力提升，以滿足快速增長的智能化業(yè)務(wù)需求，還要實(shí)現(xiàn)百倍能效提升，以滿足綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的長期目標(biāo)。

華為指出：單比特成本和功耗的降低是高速光接口技術(shù)發(fā)展的持續(xù)追求。過去十幾年，交換機(jī)的容量提升了 80 倍，整體功耗下降 4 倍，其中 ASIC 功耗下降 10 倍，光接口的功耗降低了 3 倍。 雖然光接口的單比特成本和功耗在不斷下降，但是下降的速率遠(yuǎn)落后于交換機(jī)ASIC 部分的功耗降低。

究其根本原因，光接口依賴于 SerDes 技術(shù)，SerDes 為數(shù)�；旌系募夹g(shù)，其能效演進(jìn)低于 ASIC 部分。為了進(jìn)一步降低功耗，必須要通過縮短 SerDes的距離或者減少 SerDes 的數(shù)量來降低功耗，因此在光接口的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了很多新型技術(shù)如 OBO、CPO 等，芯片直接出光的CPO 技術(shù)已經(jīng)成為業(yè)界熱點(diǎn)。

一、芯片出光技術(shù)
（1） 面向數(shù)據(jù)中心交換機(jī)的芯片出光技術(shù)——CPO 技術(shù)

目前主要的技術(shù)路徑有兩條，分別是基于硅光的技術(shù)路線和基于 VCSEL 的技術(shù)路線。

硅光技術(shù)因其集成度高、CMOS 工藝兼容有望實(shí)現(xiàn)低成本的特性成為多通道集成收發(fā)機(jī)的主要路徑。針對硅光平臺(tái) CPO 技術(shù)光源部分主要有兩種思路，一種是可插拔光源池模塊技術(shù)，考慮到光源部分失效率較高，方便后續(xù)更換，將多通道、大功率的激光器芯片封裝后組裝成可插拔模塊置于面板側(cè)，通過保偏光纖與交換芯片的四周的光引擎芯片連接，提供連續(xù)的激光源，這也是業(yè)界普遍認(rèn)可的一種光源形態(tài)。另一方面，少數(shù)廠家具備較強(qiáng)的 III-V/Si 異質(zhì)集成能力，能夠直接在硅光引擎上實(shí)現(xiàn)光源的集成，通過采用2:1 備份的方式改善光源的良率，該方式成為第二條光源技術(shù)路徑。

針對硅光平臺(tái)的高速調(diào)制器部分，當(dāng)前主要有三種技術(shù)路徑：第一種是相對成熟的 MZ 調(diào)制器技術(shù)，由于MZ 尺寸較大（百 um 量級(jí)），多通道集成后，光引擎尺寸較大，功耗相對偏高；第二種是微環(huán)調(diào)制器技術(shù)，微環(huán)具備小尺寸（幾十 um 量級(jí)）、低功耗（驅(qū)壓�。┑奶攸c(diǎn)，但是微環(huán)調(diào)制器需要非常穩(wěn)定的工作波長跟蹤系統(tǒng)；第三種是基于 Ge 材料的 EA 調(diào)制器，調(diào)制器尺寸也在幾十 um 左右，通過法蘭茲 -卡爾迪西 (Franz-Keldysh) 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對光的吸收。

業(yè)界部分廠商也在推動(dòng)基于 VCSEL 的 CPO技術(shù)，主要原因在于 VCSEL 具有優(yōu)異的功耗特性（＜ 5Pj/bit），基本可滿足 100m 以內(nèi)的互聯(lián)需求，后續(xù)通過器件進(jìn)一步升級(jí)為少模或單模的 VCSEL，也有望能夠?qū)崿F(xiàn) km 級(jí)互聯(lián)長度。當(dāng)前，VCSEL 較為成熟的器件為25GBd 量級(jí)，后續(xù) 50GBd 有望在近幾年成熟商用，雖然帶寬發(fā)展趨勢上略慢于硅光技術(shù)，但 VCSEL 技術(shù)可以通過外置合分波器實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用以提高單纖容量，也可以通過陣列化的 VCSEL 器件 /PD 器件配合多芯光纖（~40um 芯間距）實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。

（2）面向高性能計(jì)算的芯片出光技術(shù)——光 I/O 技術(shù)

高性能計(jì)算集群是由高速通信網(wǎng)絡(luò)連接的強(qiáng)算力平臺(tái)，高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的通信能力已經(jīng)成為 xPU 集群的重要支撐，如何進(jìn)一步提升互聯(lián)帶寬成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)，光 I/O 技術(shù)開始步入大家的視野，該技術(shù)通過將光學(xué)收發(fā)芯片放進(jìn)計(jì)算芯片封裝內(nèi)，因此也被稱為封裝內(nèi)光學(xué)連接技術(shù)（In-packaged Opitcs）。通過采用該技術(shù)可以大幅改善芯片扇出帶寬，降低光互聯(lián)功耗，實(shí)現(xiàn)可媲美板內(nèi) / 框內(nèi)電互聯(lián)的帶寬密度 / 功耗水平，同時(shí)，又能提供電互聯(lián)無法達(dá)到的互聯(lián)距離（~km 級(jí)），為集群系統(tǒng)互聯(lián)提供了一種低功耗，大容量的新技術(shù)路線。光 I/O 技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)路徑以硅光技術(shù)為主，具體為采用低調(diào)制速率（30-60Gbps）的微環(huán)總線型波分技術(shù)。一方面，在該調(diào)制速率區(qū)間，具有相對最優(yōu)的端到端功耗水平（~5pJ/bit），另一方面，利用微環(huán)本身的窄帶工作特性，實(shí)現(xiàn)多路合一的波分型總線，可以大幅擴(kuò)展邊緣互聯(lián)帶寬密度，很容易達(dá)到百Gbps/mm，甚至 Tbps/mm 互聯(lián)密度。當(dāng)前，該領(lǐng)域主要研究熱點(diǎn)聚焦于密集波分微環(huán)調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)，多通道微環(huán)調(diào)制器的控制，多波長外置光源技術(shù)以及先進(jìn)封裝技術(shù)等多個(gè)技術(shù)方向。

二、高速光接口（1.6T/3.2T）
隨著單路速度提升，100/200Gbps 以上的高速串行通信帶來功耗、串?dāng)_和散熱挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換接口將無法滿足算力增長需要，芯片出光在數(shù)據(jù)中心連接中的占比將持續(xù)提升，相比傳統(tǒng)方案芯片出光端到端能耗有望降低至 1/3，成為未來突破帶寬瓶頸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

數(shù)據(jù)中心設(shè)備之間連接由高速光接口提供，并且根據(jù)連接距離不同分為 SR、 FR、LR 等規(guī)格，不同傳輸距離采用的技術(shù)方案也會(huì)有所不同。高速光接口的速率發(fā)展與數(shù)據(jù)中心的交換機(jī)容量以及 SerDes 技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。交換機(jī)容量每 2 年增長翻一番，預(yù)計(jì)2030年會(huì)出現(xiàn)200Tbps/400Tbps交換容量，單端口速率需要增長到1.6Tbps/3.2Tbps。

光連接技術(shù)根據(jù)接收技術(shù)不同可以分為直檢檢測技術(shù)和相干檢測技術(shù)。直檢檢測技術(shù)由于成本低、功耗低，在 800GE 之前，為數(shù)據(jù)中心高速光接口的主要技術(shù)。隨著速率的提升，直檢檢測技術(shù)受到色散，四波混頻等問題的影響，傳輸距離下降，使得相干技術(shù)下沉到數(shù)據(jù)中心存在了可能。在 800G 時(shí)代， IEEE 802.3dJ 針對 10km 場景將會(huì)定義相干和直檢兩條技術(shù)路徑。但相干技術(shù)面臨功耗高以及成本高的挑戰(zhàn)。未來 1.6T/3.2T 時(shí)代，直檢技術(shù)和相干技術(shù)將同時(shí)存在。 

直檢檢測技術(shù)在 1.6T /3.2T 時(shí)代仍是主力技術(shù)路徑之一，并沿著 Scale Up 和 Scale Out 同時(shí)發(fā)展，在單 lane 速率持續(xù)提升的同時(shí)，通過增加光纖或者波分復(fù)用技術(shù)增加并行路數(shù)也將持續(xù)發(fā)展。800GE 時(shí)代延續(xù)單 lane 100G 技術(shù)并發(fā)展了單 lane 200G 的技術(shù)。1.6T/3.2T 時(shí)代將會(huì)依托單 lane 100G, 單lane 200G 技術(shù)進(jìn)行多路復(fù)用，或會(huì)發(fā)展單lane 400G 的技術(shù)。如 IEEE 802.3dJ 已立項(xiàng)16*100G 的 1.6TSR 的技術(shù)方案。也有公司陸續(xù)表達(dá)了對 8x200G 構(gòu)建 1.6T 技術(shù)方案的預(yù)期，由于其采用 8 波復(fù)用的技術(shù)方案，將會(huì)面臨著色散，四波混頻等挑戰(zhàn)，需要研究新的波長分配方案，色散管理技術(shù)，低功耗均衡技術(shù)等。對于單 lane 400G 技術(shù)，可采用高帶寬器件，高階調(diào)制格式，以及偏振復(fù)用等技術(shù)。

相干技術(shù)傳統(tǒng)是長距光傳輸采用的技術(shù)方案。由于直檢技術(shù)面臨色散，四波混頻等挑戰(zhàn)，傳輸距離不斷縮小。業(yè)界出現(xiàn)了相干技術(shù)下沉到數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的發(fā)展趨勢。 相干技術(shù)傳輸性能好，且可以靈活的采用 oDSP進(jìn)行色散的補(bǔ)償，但是成本和功耗較高。為了降低成本和功耗，許多高校及企業(yè)提出了Coherent-Lite 的概念。例如，利用 DFB 灰光光源，量子點(diǎn)光源等低成本光源代替長途相干使用的 DBR 光源，進(jìn)一步通過光源池共享光源來降低光源的成本及功耗。通過光域偏振跟蹤方案來降低數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜度，使用分段硅光調(diào)制器避免發(fā)端 DAC 等技術(shù)。

三、光交叉連接
近年來，業(yè)界和學(xué)術(shù)界廣泛研究新型的光交叉（OXC）連接技術(shù)，通過利用光交換在帶寬、端口、低功耗和時(shí)延等方面的優(yōu)勢，解決數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和流量帶寬兩個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)需求。OXC主要技術(shù)方向分為波長級(jí)交叉連接和光纖級(jí)端口交叉連接，面向2030，在數(shù)據(jù)中心場景的重點(diǎn)研究方向是MEMS OXC以及亞?s快速光交叉技術(shù)。
（1）MEMS OXC
 MEMS OXC（Micro-Electro-Mechanical Systems Optical Cross-Connect）是一種基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的光交叉系統(tǒng)設(shè)備，由一對光學(xué)準(zhǔn)直器組成陣列作為輸入和輸出（I/
 O）端口和一對MEMS微鏡陣列芯片來控制光束，以便任何輸入端口都可以連接到任意輸出端口，具有高集成度、高速率、低功耗的特點(diǎn)。

（2）片上集成光開關(guān)
    基于片上集成快速光開關(guān)使用的關(guān)鍵技術(shù)可將片上集成光開關(guān)分為五類：熱光效應(yīng)（thermo-optic effect）；硅基載流子效應(yīng)（free carrier effect）；泡克耳斯效應(yīng)（Pockels effect）；克爾效應(yīng)（Kerr effect）；波導(dǎo)型MEMS技術(shù)（Si-MEMS）。

    熱光效應(yīng)，即利用材料晶格結(jié)構(gòu)對溫度敏感的特性，實(shí)現(xiàn)對材料折射率的調(diào)控。制成的光開關(guān)可實(shí)現(xiàn)100μm量級(jí)的超緊湊尺寸、10mW級(jí)開關(guān)功耗、亞微秒（sub-?s）量級(jí)切換時(shí)延；載流子效應(yīng)是基于硅材料的一種特殊效應(yīng)，光開關(guān)長度在300 ?m-mm量級(jí)，開關(guān)時(shí)延為ns級(jí)；泡克耳斯效應(yīng)和克爾效應(yīng)均屬于非線光學(xué)效應(yīng)，非線性光學(xué)效應(yīng)光開關(guān)電光響應(yīng)時(shí)間在ps-fs量級(jí)，且不產(chǎn)生額外損耗，但是需要更高的驅(qū)動(dòng)電壓或更長的器件尺寸；硅波導(dǎo)微型MEMS系統(tǒng)（Si MEMS）依靠靜電力對懸空波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的吸引/ 排斥行為直接改變波導(dǎo)物物理間距從而改變光路徑，光開關(guān)切換速度為亞?s量級(jí)。

    相比其他技術(shù)，Si-MEMS可提供更高的隔離度和更低的損耗，并且允許結(jié)構(gòu)尺寸更加緊湊，但Si-MEMS依靠移動(dòng)波導(dǎo)或金屬電極結(jié)構(gòu)，限制了開關(guān)可靠性和耐久性。

四、新光纖介質(zhì)
下一代數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的發(fā)展趨勢是高速率、高密度、低時(shí)延、低成本和易運(yùn)維，新型光纖的應(yīng)用將對數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)產(chǎn)生革命性的影響。其中空芯光纖和多芯光纖，由于其特殊和優(yōu)異的光纖特性，將進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)更低時(shí)延、更高密度、更低成本的光互聯(lián)。
（1）空芯光纖
空芯光纖突破了傳統(tǒng)石英光纖的局限，其基于反諧振機(jī)理，通過特定的包層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可將光限制在空氣纖芯中進(jìn)行傳輸，改變了光在光纖中的傳輸介質(zhì)，從根本上避免了因材料本征限制而帶來的問題。相比實(shí)芯光纖，空芯光纖具有低時(shí)延、低色散和低非線性等優(yōu)點(diǎn)。首先，光在空氣纖芯中的傳輸速度是光速，是在玻璃介質(zhì)中傳輸速度的1.5倍，可大幅縮短AI數(shù)據(jù)中心內(nèi)各個(gè)服務(wù)器以及GPU之間的通訊時(shí)延；其次，由于空芯光纖的傳輸介質(zhì)是空氣，材料色散低，有助于擴(kuò)展數(shù)據(jù)中心內(nèi)高速光模塊的傳輸距離，降低光互聯(lián)成本；第三，與低材料色散類似，空氣相對于二氧化硅等玻璃材料，其非線性折射率系數(shù)小，具有更低的非線性效應(yīng)，極大程度地抑制了數(shù)據(jù)中心內(nèi)光互聯(lián)產(chǎn)生的信號(hào)畸變，保證更好的通信和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

（2）多芯光纖
多芯光纖是多個(gè)纖芯共享一個(gè)包層，其中每個(gè)纖芯都是單模，且纖芯之間的串?dāng)_很小，這將使密度比傳統(tǒng)單模光纖提高數(shù)倍。在多芯光纖中，多路光信號(hào)可分別在多個(gè)纖芯中同時(shí)傳輸，信號(hào)之間串?dāng)_小，極大地提高了通信容量，其應(yīng)用將對數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)產(chǎn)生革命性的影響。單模代替多模、多芯代替單芯、COBO/CPO代替熱可插拔將是數(shù)據(jù)中心未來的布線趨勢。多芯光纖有潛力成為未來超800G的互聯(lián)方案，可大幅提升光傳輸容量和頻譜效率，節(jié)約布線成本和管道資源、降低能耗，且具有多個(gè)平行的物理通道，在下一代數(shù)據(jù)中心布線中更具應(yīng)用潛力。

本文僅截取有關(guān)光通信部分，報(bào)告同時(shí)分析了未來新型數(shù)據(jù)中心將具備的特征及需求，如有需要，可關(guān)注【光纖在線】公眾號(hào)，回復(fù)【數(shù)據(jù)中心2030】，即可獲取PDF版本全文。