硅光：数据中心互连新宠

易飞扬

在未来，大数据和人工智能将成为驱动数据中心市场的主要动力。因此，未来数据中心对于基于光的数据互联的需求可望进一步增加，而这也将进一步提升硅光子的市场规模。

为什么在数据中心采用硅光子学？
数据中心特点适合硅光子大量应用
目前数据中心常用的是叶脊结构，连接数众多，节点间距离短，同时流量迅猛增长使得光模块技术更新换代快。因此，数据中心适用大量成本敏感但对性能要求不高的模块（图1）。而这些特点，硅光模块都符合。硅光模块比传统铜线性能更优，光纤连接更适合大规模的板间互联。另一方面，硅材料相对于III-V族材料成本更为低廉，在数据中心的应用中优势凸显。

图1：数据中心结构特点适合硅光子大量应用

解决 I/O 瓶颈
面对日益增长的数据消耗需求，使得芯片运行速度越来越快，但光信号仍必须转换为电信号，才能与位于数据中心深处的电路板上的芯片通信。而硅光子可以使用异构集成与其他网络、存储和计算专用集成电路 (ASIC) 共同封装（CPO共封装技术，下周再讲），以实现直接来自硅芯片本身的半导体光学 I/O。随着到服务器节点的带宽不断扩大，以及铜线传输距离的缩短，将出现从网络接口卡 (NIC) 或直接来自服务器本身的光学 I/O 的用例。

图2：硅光模块的CPO封装

降低功耗
数据中心的散热和功耗一直是业界关注的重点。由于硅光子技术是基于芯片间的光传输，去除了大量传统技术中光路的转化与处理过程，（传统技术光信号先经过收发器光转铜，再经过数字信号处理过程到芯片内），而硅光的传输路径无需多次转化，整体功耗将会有明显下降。相比传统光模块的接口技术，相同传输容量下，硅光子技术的功耗大约只有传统的30%左右。对数据中心来说，IT设备的功耗大幅度下降是对整体机房最大效率的节能。

硅光子在数据中心的应用现状
列举了硅光子在数据中心的使用优势，那么，现阶段，有哪些硅光模块已经在数据中心中部署商用了呢？
目前，硅光技术在第一代4x25G中，主要应用是500m内的100G QSFP28 PSM4；在第二代1x100G产品中，应用有100G QSFP28 DR1/FR1和LR1，作用于500m-10km场景中；在400G产品中，主要聚焦在2km以内的中短距离传输应用场景，产品有400G DR4。

图3：数据中心中硅光子的应用

第一代4x25G
对于第一代4x25G产品，PSM4硅光子方案光芯片功率被分为4路，目前仅在500米短距离相对成熟。100G短距离PSM4光模块中，引入硅光子技术后，25G激光器数量从4个减少为1个，并且集成的调制器和波导可使整体器件数量小于25个，大幅节约器件和组装成本。其中有源器件成本降低35%，无源器件成本降低39%。在500米数据中心互联的100G QSFP28 PSM4光模块产品市场，硅光子混合集成方案份额已经超过传统分立器件方案，目前已达到近80%。

第二代1x100G
在第二代1x100G产品中，有100G QSFP28 DR1（500m）/FR1（2km）和LR1（10km）。光口侧采用100G PAM4高阶调制，可直接和4x100G PAM4的400G硅光模块互联互通，进一步提升了链路的容量和组网的灵活性。硅光子100G光模块高度集成了调制器和无源光路，只使用1个激光器，实现4路信号的调制和传输，非常具有成本优势。

400G
在400G及以上速率，传统直接调制已经接近带宽的极限，EML的成本又比较高，而硅基器件不仅具有高调制带宽(>30GHz)，在器件尺寸、集成规模和成本方面也具有优势。在数据中心400G时代，基于硅光子技术的光模块主要定位于500m~2km这个距离上（这里暂不考虑硅光子的相干技术）。

产品有400G QSFP-DD DR4，采用4路并行的106Gbps PAM4光信号，光纤为MPO接口单模光纤。硅光400G DR4既可以实现1分4的分支组网，与100G DR1/FR1对传，又可以替代接入侧短距离多模400G光模块互联，具备端到端成本竞争力。在单纤传输的优势下，与多波长光源封装可以方便地切换为WDM模块形态。

表：硅光模块参数表

——数据来源：易飞扬通信

参考文献：
1、硅光模块参数表，易飞扬通信
2、硅光子技术在通信光模块中的应用研究，中国通信标准化协会；
3、Perspective on the future of silicon photonics and electronics，AIP；
4、硅光子通信技术引领通信I/O革命性变革，罗森伯格；