CFCF2021 | 旭创科技郑德锋：高速数通光模块的未来及技术演进

7/08/2021，光纤在线讯，6月23~25日，在“光连接大会CFCF2021”上，领先的高速光通信模块制造商苏州旭创科技有限公司(简称旭创科技，Innolight) 资深产品管理总监郑德锋发表《高速数通光模块的未来及技术演进》主题报告，分享了关于高速数通光模块的技术路径，数据中心光互联的直接探测技术与相干探测技术两种支撑技术的对比分析，从需求驱动、数据通讯网络架构、数通网络的发展特点、技术趋势以及旭创数通光模块的路线图进行数通光模块解读。


      郑总认为：随着数据中心交换芯片容量的快速提升与迭代，网络架构中各级之间的高速连接需要匹配升级，光模块的方案在每三年向前演进一代。在数据中心架构中，每个低层级的交换机都会连接到上一个更高层级的交换机，形成拓扑架构。服务器设备直接连TOR 交换机。Spine 层属网络骨干，负责把aggregation 或leaf 交换机连接起来。这种网络架构更易于网络扩展以及无阻塞配置。数据中心I/O接口带宽需求的增加同样也带动了可插拔光模块速率的演进。无论是服务器到TOR 交换机，再到上面层级的leaf 以及spine 交换机之间的光互联模块方案，目前国外大型数据中心，单波光口速率已达100GbE, 电口SerDes 速率已达50GbE。今年OFC 会议上Arista 公司的预测认为到2025年左右光口单波100GbE 的光模块发货量可能达到顶峰，而单波200GbE 的下一代光模块将从2023年起开始小批量发货。对应的电口SerDes速率，据650 Group 调研机构预测，50GbE SerDes 将于2022年达到顶峰，而100GbE SerDes 在2023年开始大规模商用；而200GbE SerDes 可能要等到2025年左右才开始小规模商用。

      高速光模块的技术演进实际上取决于上下游产业链的协同发展，未来光模块的演进路线图非常清晰，即400G->800G->1.6T->3.2T。ASIC 交换容量将沿着12.8T->25.6T->51.2T->102.4T 方向扩容。光器件的激光器DSP电芯片，当光口速率2倍于电口速率时，DSP中需要有gearbox 做一个速率转换，如400G DR4/FR4, 但光口与电口一致时，则不需要gearbox, 比如800G DR8。从市场来看，400G光模块2018年开始推出市场，下一代800G预估2021年底小批量，更高速的光模块1.6T 期望在2024年推出市场。



      在未来数据中心中，随着技术的进步，传输每比特信息所需的能量逐年降低。从2000年到2015年，基本趋势是每10年降低10倍。2015年以后下降的趋势预期会慢一点。对于400G光模块来说其能量效率约达30 pJ/bit, 800G 光模块可能到20~22pJ/bit 水平。而3.2T光模块可能达到小于10pJ/bit 水平。

      数据中心光互联方案可根据其传输距离来选择两种支撑技术，一种是直接探测技术，另一种是相干探测技术。相干探测凭借着高容量、高信噪比等优势在城域网内的长距离DCI互联中得到广泛应用；而直接探测的应用场景更适合相对短距离互联。DCI应用场景中相干探测的光模块比重预期由2020年的39%提升到2025年78%。随着光模块速率的提升，对于直接探测方案，对模块内光器件的带宽要求比较高，同时受限于系统SNR以及光纤链路色散的影响，其传输距离也将受到限制。北美系统商Arista曾有报告分析，直接探测对800G光模块来说可能还支持10km 传输，到1.6T/3.2T时，也许只能支持2km 传输。更远场景的光互联，则需要使用相干探测技术，目前看50G波特率可支持400G 相干传输，而100G波特率则支持800G及以上相干传输。当然基于相干探测技术的光模块在DCI或未来数据中心内部的应用，成本和功耗也将会是大家主要考虑和优化的问题。

     谈到硅光：硅光电子技术是行业热门话题，硅光的企业有Intel、Acacia、Luxtera 等。产品如100G PSM4/CWDM4, 200G FR4/400G DR4, 然而一个硬币总有其两面性， 硅光技术本身还不够成熟，Fab可能是制约其发展的关键因素。硅光的业务是否够大来支撑Fab 的运营，Fab 制程的控制能力，不同Fab 之间的PDK 兼容性等问题都将影响硅光业务的可持续性发展。同时硅光芯片本身设计的容差也将直接影响芯片的良品率。总之，硅光技术的生态仍然还不成熟，也许未来到混合封装时，才是硅光大显身手的最佳平台。

         旭创科技一直努力致力于满足于客户需求的高端光模块开发。目前其已经形成10G/25G/40G/100G/200G/400G等系列光模块产品组合。400G系列产品目前已经大批量出货国内外市场。同时正在开发800G 数通光模块，预计在2022年可以实现批量发货。此外，可插拔1.6T 光模块也在规划中。

         总结：未来可预期可插拔光模块的迭代速度加快，通过技术演进获得成本红利，进一步降低数通单比特能量成本。从大型数据中心的网络升级实践以及未来规划，基本上看每三年可插拔光模块向前演进一代，传输每比特信息的能量效率也大幅提升。未来可插拔光模块的演进路径，从ASIC/DSP以及主要光学器件等关键组件的上下游产业链路线图规划来看，电口100G SerDes 可支持到1.6Tbps 的光模块，电口200G SerDes 则可支持3.2Tbps 的光模块。同时为提高光纤的频谱效率，DCI 相干下沉，未来相干探测光模块的应用场景增多，市场需求增长很快。旭创希望和产业界同仁一同努力，以客户需求为导向，逐步实现800G/1.6T/3.2T 数据中心内以及DCI间的光互联，最终实现共赢。