OFC2022:和Andreas Bechtolsheim谈硅光CPO

3/14/2022，光纤在线讯，Andreas(Andy) Bechtolsheim是IT行业的传奇。他在斯坦福读博士期间参与共同创办了Sun微系统公司。他是谷歌最早的投资人之一。他是Granite系统公司的创办人，后来这家公司卖给了思科。他是VMware, Mellanox, Brocade和Magma Design等公司的早期投资人。他最新的身份是Arista的共同创办人和董事局主席。3月10日，Nextplatform网址编辑Timothy Prickett Morgan（TPM）发表了自己在OFC2022上与Andy关于硅光技术的对话。以下根据原文和雪球的翻译整理。

当前硅光CPO功耗比可插拔方案更高

考虑这个问题的最佳出发点是知道该技术是以降低功率为目的。换句话说，如果不是为了降低功耗，没有人会谈论CPO。显然，合封确实是一种封装技术——它不是一种新的光学技术，没有新的波长，不是新的光学接口。它实际上是在落实现有的 IEEE 光学行业标准，并且以更低的功率为目标。与可插拔模块相比，人们预测或想象使用CPO的功耗降低目标是 20%。

现在，在我们深入研究功耗问题后，可以看到它们主要来自四个方面：一个是交换芯片和光器件之间的电接口带来的，当然，如果你把它做得更短，你就可以需要更少的功率；第二个是 DSP 芯片，它不会有太大变化，因为它是由光学方面要求驱动的；然后第三是激光器和光调制器自身的功耗。所有这些加起来就是模块的总功率。

CPO减少了电通道长度，如果您有所谓的 XSR 通道，它是一个超低功率通道，与 VSR 通道相比，其长度只有几厘米，它能够驱动信号通过十英寸，这确实是省电的方案。但从来没有人制造过具有 XSR 通道的交换芯片，因为它没有市场。这是一个非常昂贵的设计，除非有投资回报，否则人们不会这样做。因此，到今天为止，还没有具有 XSR 通道的交换芯片。

在光学层面，除 Intel 之外的大多数方案都有外部激光源。如图所示，这个方案相比可插拔器件需要四个额外连接器。此外，外部光源还要光分路器，然后是光纤中的偏振，这个问题很难完美，总是导致一些额外的损耗。

采用外部光源，需要额外3 dB的激光才能在IEEE 规范要求的接口上实现相同的 0dB 输出，也就是要求激光功率翻倍。激光器在高温下效率也会降低。这都意味着更高的功耗。总之，为实现同可插拔模块相同的光输出，你需要额外的功耗。因为外部激光器的问题，今天的CPO实际上比可插拔器件功耗更高。

事实上，激光器还会带来其他问题。最坏的情况下，交换芯片处于高温状态，激光器的输出功率达到500mw，也会在运行中变得很热，它们的电输入功率将超过 10 瓦。因此，激光器的负担很重。还有的问题是连接器的污染问题可能会导致激光输出伤害光纤端面。

那靠什么来降低功耗?

相比硅光，新的光学调制方可能更有希望。CPO的历史与硅光技术密切相关，因为需要一种高效的制造技术将 16 个通道或 32 个通道放在单个芯片上，硅光正是这样的技术。然而，硅光有一个大问题，那就是有一个高插入损耗的调制器。硅光的链路上有大约15dB的损耗。因此要想降低功耗，最好的技术其实不是硅光，而是较新的技术，包括薄膜铌酸锂和钛酸钡，还有人做有机调制器甚至石墨烯调制器。这些技术都比硅光更低功耗。硅光只是一种更经济有效，更容易制造的技术，而不是更低功耗的技术。

在 Arista，我们实际上已经与一些主要供应商合作，以 800 Gb/秒的速度构建铌酸锂薄膜可插拔模块，使用 8 通道 112G/波长，7 纳米 DSP。

如今，与之竞争的硅光产品功耗在16瓦范围内，而采用相同 DSP的铌酸锂模块为 12.8 瓦。使用 5 纳米 DSP，我们预计常规硅光器件的功耗将降至 13.3 瓦，但铌酸锂模块功耗将达到 10 瓦。这是一个令人难以置信的功率降低。

不幸的是，这种改进在CPO中要困难得多，因为铌酸锂调制器并不小。它比传统的环形或 Mach-Zehnder 调制器大很多。因此，它不太适合CPO。但对于模块这不是问题。但是将 32 个通道放入带有 DSP 的 OIF 定义的尺寸中，仍然将非常具有挑战性。

现在，还有其他有希望的事情即将出现。我上面提到的 BTO 调制器将具有更低的插入损耗，并且在将电能转换为所需的调制光学效果方面具有更高的效率。所以也许他们可以达到更低的功率水平。他们在实验室中有一些很有前途的早期演示，但还没有完整的模块可以让我们对其进行测量；我们将在今年晚些时候或明年初拥有它。人们声称有机模块效率更高，功耗更低，但同样，这仍处于实验室阶段。铌酸锂调制器仍是原型，可能需要 18 个月或其他时间才能量产。

可以预见，我认为人们会对这些新的调制技术产生浓厚的兴趣，因为它是降低功率的最简单方法。我们认为目前业界最有希望的行动就是专注于低功率调制。

CPO面临的真正问题还在于，可插拔模块不用靠近交换芯片，是解耦的，可以在需要的时候才部署，支持大批量制造。但在CPO的世界中，您几乎必须提前两年选择要押注的技术。

从业务层面来看，当前供应链中几乎每一环节都在竞争。不仅可插拔光模块的供应商有很多，在新技术领域也有竞争，押注钛酸钡调制器的公司不会押注铌酸锂。这些初创公司现在都很乐观。但是问题是他们现在都不能量产。

功耗真的是个问题吗？
今天有些客户只关心成本。在节省功率方面，光器件或者光模块带来的节省是 20% 到 25%，但在数据中心级别，这是 1% 或更低。在包括服务器、存储和交换机在内的总功率中，光器件层面的节省并没有那么大的驱动力。

但是，对于每个机架或每个数据中心空间来说，他们的功率容量有限。客户通常没有选择也不能仅仅因为它们建于五年前而更换数据中心。这个功率容量限制，例如每个机架 2 千瓦。所以他们总是不得不保持低功耗。光器件的进步因此可以在这方面做出贡献。有些人可能愿意支付额外费用来达到这一目标。

就网络的高级目标而言，较低的功率是可取的。成本是一个单独的问题，但人们想要低成本、低功率和高可靠性，但正如我所说，低功率与高可靠性齐头并进，因为较低的激光功率已被证明是提高激光可靠性的最佳方式。

我认为整个论点的症结在于人们想要高可用性，他们想要低功耗，他们想要高带宽，但最难的是可靠性。并且专注于可靠性，还有一个可维护性方面。使用可插拔模块，这很容易。使用CPO，更换会非常昂贵，尽管外部激光源 (ELS) 是可插拔的，这解决了部分问题。但仍有 5% 的光学故障与 ELS 无关。如果您的系统中有 64 或 128 个ELS，它们可能会主导故障的次速。这不是一件令人高兴的事情，因为我们不想因为光器件发生故障而退回交换机。

云厂商的态度是什么？

每个人都想要高可靠和低成本的解决方案。这里我们需要讨论一个问题，那就是网络成本与用量高度相关。没有量，CPO永远不会比可插拔更具成本效益。如今可插拔模块每年产量 1000 万个以上，而CPO还在从零开始。所以问题是：CPO是否会量产，因为只有最终证明可靠、可制造且具有成本效益，才能实现量产。如果它更便宜，人们会注意的，对吧？但是今天，它并不便宜。需要大量数量才能变得更便宜。

四年前我曾预计超过 100Gb/秒的 SerDes 将非常具有挑战性，但现在很明显这不仅是可行的，而且会在 2025 年左右变成现实。这不会是CPO部署的转折点。

但这里还有第二个问题，因为它与外部激光器有关，特别是与Ayar Labs 的环形调制器技术有关。该技术在较慢的速度下是最佳的，即使用 NRZ 编码的 32 Gb/秒和 64 Gb/秒。它可能达到112G-PAM4，但我的理解是它无法轻松支持224G-PAM4，这意味着Ayar的技术本身无法解决高速I/O问题。当然，使用反向gearbox总是有可能从 224 Gb/秒下降到 112 Gb/秒，但反向gearbox的功率或成本效率不高。

Broadcom 声称CPO可节省 50%成本，这是基于避免光 DSP 并使用交换 SerDes 直接驱动光器件。确实如此，但是您也可以使用可插拔模块和合适的交换 SerDes 来做到这一点。

我们的坚定结论是，224 Gbps不会必然导致CPO。因此，除了降低功耗，CPO没有其他的优势。但是但是你可以通过改变调制技术更容易地降低功耗。

原文链接
https://www.nextplatform.com/2022/03/10/talking-silicon-photonics-signal-and-noise-with-andy-bechtolsheim/