光互連，愈發(fā)重要

隨處可見的傳感器增多以及人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)幾乎滲透到所有事物中，導(dǎo)致數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)，這加大了數(shù)據(jù)中心利用光學(xué)互連來(lái)加速數(shù)據(jù)吞吐量并減少延遲的壓力。

光通信已經(jīng)使用了幾十年，從長(zhǎng)途通信開始，逐漸發(fā)展到將外部存儲(chǔ)連接到服務(wù)器機(jī)架，然后再連接到這些機(jī)架內(nèi)的服務(wù)器。最近，它被關(guān)注于不同模塊和先進(jìn)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(jìn)封裝內(nèi)部數(shù)據(jù)移動(dòng)的方法。

挑戰(zhàn)在于將光子與電子結(jié)合起來(lái)。從歷史上看，該級(jí)別的互連很笨重且有些不可靠，但隨著業(yè)界認(rèn)識(shí)到對(duì)光學(xué)技術(shù)的需求，它們正在迅速改進(jìn)。這種情況已經(jīng)在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心中發(fā)生，它們的設(shè)計(jì)比企業(yè)數(shù)據(jù)中心更加統(tǒng)一，并且沒有單點(diǎn)故障?！霸谄髽I(yè)數(shù)據(jù)中心，您每天都會(huì)看到變化，” Cadence杰出工程師 Mark Seymour 說(shuō)道?！霸诔笠?guī)模企業(yè)中你看不到這一點(diǎn)。此外，在超大規(guī)模企業(yè)中，如果出現(xiàn)故障，也并不重要，因?yàn)樗鼈冎皇寝D(zhuǎn)移工作負(fù)載。”

這有助于解釋為什么超大規(guī)模廠商始終處于光學(xué)技術(shù)的前沿。但隨著越來(lái)越多的人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)以及需要處理的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，所有類型的數(shù)據(jù)中心內(nèi)對(duì)更低延遲、更低功耗和更低熱量的需求變得越來(lái)越普遍。

“在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，光連接可以分為兩種類型，” Synopsys技術(shù)營(yíng)銷經(jīng)理 Jigesh Patel 說(shuō)。“一個(gè)是機(jī)架間，另一個(gè)是背板或機(jī)架內(nèi)。通常，多模光纖用于兩者。由于光子學(xué)具有更好的熱效率、光譜效率和能量效率，硅光子學(xué)正在迅速取代用于提供板載和片上連接的傳統(tǒng)銅互連。該行業(yè)正在逐漸從片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)向單一封裝中的芯片系統(tǒng)?！?/span>

除了這種轉(zhuǎn)變之外，該行業(yè)從銅纜到光纖的轉(zhuǎn)變只是基礎(chǔ)數(shù)學(xué)?！耙悦棵?200 吉比特的速度運(yùn)行的銅纜將會(huì)產(chǎn)生損耗，”是德科技IP 有線解決方案高級(jí)戰(zhàn)略規(guī)劃師 John Calvin 表示?！袄?，1 米長(zhǎng)的電纜將產(chǎn)生約 34 dB 的損耗。即 50:1 的信號(hào)損失。首先，****上有 50 毫伏信號(hào)?，F(xiàn)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(hào)，這就是殺死數(shù)據(jù)中心的原因。[相比之下]，您可以在光纖上發(fā)送光信號(hào)數(shù)十公里，并且信號(hào)降低 1 dB?！?/span>

互連選擇細(xì)分

我們來(lái)看一下當(dāng)前互聯(lián)的兩種選擇。

首先看銅選項(xiàng)：直連銅纜 (DAC) 兩端都有一個(gè)高密度連接器，并通過(guò)銅差分傳輸線將兩個(gè)連接器連接在一起。在數(shù)據(jù)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(zhǎng)度，比光纖更具成本效益。

其次看光學(xué)選項(xiàng)：當(dāng)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?lái)可能更復(fù)雜，但實(shí)際上單模使用起來(lái)更棘手且成本更高，甚至不考慮與單獨(dú)光纖的成本差異。

“單模光纖系統(tǒng)中使用的激光器和其他組件更加昂貴，”Patel指出?！坝捎诠饫w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(cè)器之間的耦合容差比基于多模光纖的系統(tǒng)中的容差更嚴(yán)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(shù)據(jù)，傳輸更遠(yuǎn)的距離?！?/p>

出于最務(wù)實(shí)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。“單模光纖需要精確的對(duì)準(zhǔn)和光學(xué)器件，并且實(shí)際上是非常精確的切割。通常，您從供應(yīng)商處購(gòu)買單模光學(xué)器件時(shí)會(huì)考慮到特定的適配應(yīng)用。您的數(shù)據(jù)中心沒有單模光纖線軸，您可以在其中提取互連所需的數(shù)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(wú)法達(dá)到單模光纖那么遠(yuǎn)，但它是數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商最好的朋友，因?yàn)樗芎谩⒁子跀U(kuò)展且使用靈活。我們一直想知道多模式何時(shí)會(huì)消亡，但由于其靈活性，它永遠(yuǎn)不會(huì)消亡?！?/p>

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

“如果實(shí)施 802.3 CT 或 CW，它就是一個(gè)相干光鏈路，這是對(duì)光譜最有效的利用，可以連接 40 公里或更遠(yuǎn)的鏡像（備份）數(shù)據(jù)中心，”Calvin 指出。

通信鏈中的下一個(gè)環(huán)節(jié)也面臨著一系列挑戰(zhàn)。

Broadcom 光學(xué)系統(tǒng)的營(yíng)銷和運(yùn)營(yíng)部門副總裁 Manish Mehta 解釋說(shuō)：“為了輸入和輸出數(shù)據(jù)，需要一小部分連接，即直銅纜，但其傳輸距離相當(dāng)短，不超過(guò)幾米。” “如果您想從交換機(jī)到另一臺(tái)設(shè)備的距離超過(guò)幾米，則必須進(jìn)行光學(xué)傳輸。今天的方法是使用可插拔光纖收發(fā)器。作為參考，每個(gè)收發(fā)器的帶寬為 400 GB/秒，其中一個(gè)交換機(jī)最多可插入 32 個(gè)收發(fā)器。這是一個(gè) 12.8 TB 的交換機(jī)。收發(fā)器的核心部件之一是半導(dǎo)體激光器，然后還有一些驅(qū)動(dòng)該激光器的IC。但需要許多小型機(jī)械部件來(lái)固定不同的機(jī)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(yīng)力消除裝置，以便可以在惡劣的環(huán)境條件下運(yùn)行?！?/p>

這會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)展問題，從而推動(dòng)行業(yè)的一些創(chuàng)新，例如共同封裝光學(xué)器件。

Mehta說(shuō)：“超大規(guī)模企業(yè)每年購(gòu)買的約 1000 萬(wàn)個(gè)此類設(shè)備幾乎都是在亞洲各地的工廠手動(dòng)組裝的?！?“超大規(guī)模企業(yè)認(rèn)為這是不可擴(kuò)展的，尤其是隨著時(shí)間的推移，因?yàn)殂~線在數(shù)據(jù)中心所需的范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的能力越來(lái)越差。每當(dāng)您經(jīng)歷速度一代時(shí)，從 100Gb SerDes 到 200Gb SerDes 甚至更高，您都會(huì)根據(jù)物理定律減少銅的覆蓋范圍。數(shù)據(jù)中心需要更多的光纖連接。這就是必須解決的問題。現(xiàn)在，花在這些光收發(fā)器上的金額使 ASIC 相形見絀，而且它們并不是全行業(yè)最可靠的設(shè)備。處理這個(gè)問題的超大規(guī)模范例是，如果一個(gè)不起作用，他們將其拔出并插入另一根。光學(xué)器件硅化是絕對(duì)必要的?！?/p>

圖 1A：光學(xué)互連的現(xiàn)在和未來(lái)

圖 1B：Broadcom 的聯(lián)合封裝光學(xué)器件設(shè)計(jì)

重新思考互連

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

一些初創(chuàng)公司也在解決光學(xué)互連問題。例如，Lightmatter 提供了一個(gè)通信層，該層位于基板和 ASIC 之間。這提供了更多的布局選項(xiàng)，因?yàn)樗鉀Q了電信號(hào)衰減等問題。

Lightmatter 硬件工程副總裁 Richard Ho 解釋說(shuō)，該通信層的功能類似于 OCS（光電路交換機(jī)），但位于硅上?！盎旧希?dāng)我們配置它時(shí)，我們從通信層中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)到該層中的所有其他節(jié)點(diǎn)都有直接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，并且您可以動(dòng)態(tài)地重新配置它。您可以將其設(shè)置為進(jìn)行全方位通信，也可以將其設(shè)置為環(huán)，或者將其設(shè)置為 3D 超環(huán)形。有所有這些類型的配置，因?yàn)樗窃诠柚?，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(shè)置它，它就會(huì)變得像一根電線。它直接到達(dá)另一個(gè)位置——速度非?？?。因此，您基本上能夠在很短的時(shí)間內(nèi)重新配置計(jì)算機(jī)包裝內(nèi)的電線。這是獨(dú)特的技術(shù)。你不能用電力來(lái)做到這一點(diǎn)。你只能用硅光子學(xué)來(lái)做到這一點(diǎn)?！?/p>

圖2：通道通信層

Celestial AI 還擁有光學(xué)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(xué)信號(hào)的環(huán)形諧振器更熱穩(wěn)定，并且應(yīng)該可以與 ASIC 進(jìn)行更緊密的通信?！拔覀冋谔峁┮恢钡接?jì)算點(diǎn)的光學(xué)連接，”Celestial AI 首席執(zhí)行官 David Lazovsky 解釋道。“許多共同封裝光學(xué)領(lǐng)域的公司都在研究有線轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，這意味著你以電子方式向我發(fā)送信號(hào)，我要做的就是將其轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，然后將其以電子方式發(fā)送出去。光纖另一端的信號(hào)。在Celestial AI，我們提供全棧解決方案。我們有一個(gè)協(xié)議自適應(yīng)層，可以提供與客戶現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性?！?/p>

圖3：Photonic fabric configurations

直接光纖布線

雖然光子學(xué)領(lǐng)域的大多數(shù)創(chuàng)新工作都集中在光學(xué)收發(fā)器或精煉激光輸出等工程組件上，但韓國(guó)初創(chuàng)企業(yè) Lessengers 開發(fā)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(jìn)行銷售，但正在考慮在未來(lái)可能獲得許可。

Lessengers 首席營(yíng)銷官 Taeyong Kim 表示：“這種材料能夠在室溫下運(yùn)行，這意味著它的大部分在室溫下呈液態(tài)，并在布線過(guò)程中固化。” “通過(guò)改變一組參數(shù)，如接線尖端的機(jī)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(yōu)化接線配方和內(nèi)部陶氏機(jī)器完成剩下的工作?！?/p>

圖 4：直接光纖布線

以太網(wǎng)和 PCIe

無(wú)論是銅纜還是光纖，PHY 都使用剛剛慶祝其 50 周年的協(xié)議 - IEEE 802.3 以太網(wǎng)。“以太網(wǎng)的發(fā)展超出了所有人的預(yù)期，它確實(shí)是數(shù)據(jù)中心用于連接一切的結(jié)構(gòu)，”Calvin 說(shuō)。“以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包很棒，因?yàn)樗鼈兊臄U(kuò)展性非常好?！?/p>

就連它的支持者也承認(rèn)，隨著時(shí)間的推移，它會(huì)吱吱作響，但該行業(yè)正在努力解決問題?！按_實(shí)，以太網(wǎng)帶來(lái)了一些負(fù)擔(dān)。它是一個(gè)負(fù)載很重的協(xié)議，已經(jīng)發(fā)展了 50 多年，因此它不像一些更現(xiàn)代的協(xié)議那么簡(jiǎn)潔和刻薄，”Calvin 說(shuō)?！俺?jí)以太網(wǎng)聯(lián)盟將調(diào)整以太網(wǎng)以使其運(yùn)行速度更快。不過(guò)，歸根結(jié)底，您不想偏離以太網(wǎng)太遠(yuǎn)，因?yàn)楫?dāng)信號(hào)協(xié)議進(jìn)出數(shù)據(jù)中心時(shí)，它將是以太網(wǎng)?！?/p>

PCIe 是當(dāng)前銅互連的首選協(xié)議。然而，隨著標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，銅可能會(huì)失去青睞。

Patel 表示：“雖然最多 6 個(gè) PCIe 版本主要使用銅纜，但帶寬、延遲和能耗方面的限制已經(jīng)很明顯，這激發(fā)了人們對(duì)線性直接驅(qū)動(dòng)光學(xué)引擎的巨大興趣?！?“光學(xué)引擎帶來(lái)的好處包括更高的帶寬、由于無(wú)需重定時(shí)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(shù)字信號(hào)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(jìn)行傳輸，這就是 SerDes 的用武之地，”Patel 說(shuō)。“它可以是全電氣 SerDes，也可以是線性驅(qū)動(dòng) SerDes，其中 SerDes 硬件內(nèi)還有一個(gè)光學(xué)引擎，這就是光學(xué)互連的用武之地。銅纜可以傳輸?shù)?PCI、4、5 甚至 6，但在 6 時(shí)，銅的局限性已經(jīng)顯而易見?！?/p>

這種限制在能源消耗中顯而易見，這增加了數(shù)據(jù)中心的冷卻要求?！癙CIe 的下一版本 PCIe 7 將于 2025 年發(fā)布。每通道支持的數(shù)據(jù)速率將為 32GB/s，”他說(shuō)?！霸S多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，為了支持如此高的數(shù)據(jù)速率，光學(xué)的使用是不可避免的。事實(shí)上，PCI-SIG 最近成立的一個(gè)工作組正在研究通過(guò)光連接提供 PCIe 技術(shù)?！?/p>

Synopsys 的高級(jí)技術(shù)產(chǎn)品經(jīng)理 Richard Solomon 再次展望了未來(lái)，“CXL 使用 PCIe 傳輸。一旦光學(xué) PCIe 變得更加普遍，CXL 將構(gòu)建在其之上。導(dǎo)致 PCI SIG 想要采用光纖的一些驅(qū)動(dòng)因素是我將在數(shù)據(jù)中心周圍從一個(gè)盒子運(yùn)輸?shù)搅硪粋€(gè)盒子的使用模型。沒有人認(rèn)為光纖 PCI 和 CXL 的傳輸距離會(huì)超過(guò) 10 米。但如果我可以從上到下或從機(jī)架到機(jī)架進(jìn)行操作，這在數(shù)據(jù)中心仍然是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。想象一下所有這些與更接近 DRAM 延遲相關(guān)的事物?！?/span>

新想法不斷涌現(xiàn)

隨著對(duì)舊協(xié)議的依賴和多模光纖的持續(xù)存在，該行業(yè)正在不斷向前發(fā)展。

8 月，OIF 宣布了外部激光小型可插拔 (ELSFP) 實(shí)施協(xié)議 (IA)，該協(xié)議定義了針對(duì)共同封裝光學(xué)系統(tǒng)和其他多激光外部激光源應(yīng)用量身定制的前面板可插拔外形。

據(jù) OIF 稱，IA 包括對(duì)前面板（系統(tǒng)最酷的部分）放置激光源的定義，從而增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性并在必要時(shí)允許高效的“熱插拔”現(xiàn)場(chǎng)更換。

“這些用于新興的高密度光學(xué)器件，常見于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等應(yīng)用中，”卡爾文說(shuō)?！盎旧?，這些是超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心內(nèi)使用的新興互連技術(shù)，目前正在以極低延遲、高速、高性能的要求推動(dòng)這個(gè)行業(yè)的發(fā)展。”

結(jié)論

隨著標(biāo)準(zhǔn)和物理的不斷發(fā)展，以及 AI/ML 市場(chǎng)的推動(dòng)，光學(xué)互連將繼續(xù)發(fā)展。分析公司 Light Counting 預(yù)測(cè)，到 2027 年，光學(xué)元件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 200 億美元，所有行業(yè)都將增長(zhǎng)——包括老式備用設(shè)備、以太網(wǎng)。

來(lái)源：商業(yè)周刊（臺(tái)）

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