在未來，大數(shù)據(jù)和人工智能將成為驅(qū)動數(shù)據(jù)中心市場的主要動力。因此，未來數(shù)據(jù)中心對于基于光的數(shù)據(jù)互聯(lián)的需求可望進一步增加，而這也將進一步提升硅光子的市場規(guī)模。

為什么在數(shù)據(jù)中心采用硅光子學？

數(shù)據(jù)中心特點適合硅光子大量應用

目前數(shù)據(jù)中心常用的是葉脊結(jié)構(gòu)，連接數(shù)眾多，節(jié)點間距離短，同時流量迅猛增長使得光模塊技術(shù)更新?lián)Q代快。因此，數(shù)據(jù)中心適用大量成本敏感但對性能要求不高的模塊（圖1）。而這些特點，硅光模塊都符合。硅光模塊比傳統(tǒng)銅線性能更優(yōu)，光纖連接更適合大規(guī)模的板間互聯(lián)。另一方面，硅材料相對于III-V族材料成本更為低廉，在數(shù)據(jù)中心的應用中優(yōu)勢凸顯。

圖1：數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)特點適合硅光子大量應用

解決 I/O 瓶頸

面對日益增長的數(shù)據(jù)消耗需求，使得芯片運行速度越來越快，但光信號仍必須轉(zhuǎn)換為電信號，才能與位于數(shù)據(jù)中心深處的電路板上的芯片通信。而硅光子可以使用異構(gòu)集成與其他網(wǎng)絡、存儲和計算專用集成電路 (ASIC) 共同封裝（CPO共封裝技術(shù)，下周再講），以實現(xiàn)直接來自硅芯片本身的半導體光學 I/O。隨著到服務器節(jié)點的帶寬不斷擴大，以及銅線傳輸距離的縮短，將出現(xiàn)從網(wǎng)絡接口卡 (NIC) 或直接來自服務器本身的光學 I/O 的用例。

圖2：硅光模塊的CPO封裝

降低功耗

數(shù)據(jù)中心的散熱和功耗一直是業(yè)界關(guān)注的重點。由于硅光子技術(shù)是基于芯片間的光傳輸，去除了大量傳統(tǒng)技術(shù)中光路的轉(zhuǎn)化與處理過程，（傳統(tǒng)技術(shù)光信號先經(jīng)過收發(fā)器光轉(zhuǎn)銅，再經(jīng)過數(shù)字信號處理過程到芯片內(nèi)），而硅光的傳輸路徑無需多次轉(zhuǎn)化，整體功耗將會有明顯下降。相比傳統(tǒng)光模塊的接口技術(shù)，相同傳輸容量下，硅光子技術(shù)的功耗大約只有傳統(tǒng)的30%左右。對數(shù)據(jù)中心來說，IT設備的功耗大幅度下降是對整體機房最大效率的節(jié)能。

硅光子在數(shù)據(jù)中心的應用現(xiàn)狀

列舉了硅光子在數(shù)據(jù)中心的使用優(yōu)勢，那么，現(xiàn)階段，有哪些硅光模塊已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心中部署商用了呢？
目前，硅光技術(shù)在第一代4x25G中，主要應用是500m內(nèi)的100G QSFP28 PSM4；在第二代1x100G產(chǎn)品中，應用有100G QSFP28 DR1/FR1和LR1，作用于500m-10km場景中；在400G產(chǎn)品中，主要聚焦在2km以內(nèi)的中短距離傳輸應用場景，產(chǎn)品有400G DR4。

圖3：數(shù)據(jù)中心中硅光子的應用

第一代4x25G

對于第一代4x25G產(chǎn)品，PSM4硅光子方案光芯片功率被分為4路，目前僅在500米短距離相對成熟。100G短距離PSM4光模塊中，引入硅光子技術(shù)后，25G激光器數(shù)量從4個減少為1個，并且集成的調(diào)制器和波導可使整體器件數(shù)量小于25個，大幅節(jié)約器件和組裝成本。其中有源器件成本降低35%，無源器件成本降低39%。在500米數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的100G QSFP28 PSM4光模塊產(chǎn)品市場，硅光子混合集成方案份額已經(jīng)超過傳統(tǒng)分立器件方案，目前已達到近80%。

第二代1x100G

在第二代1x100G產(chǎn)品中，有100G QSFP28 DR1（500m）/FR1（2km）和LR1（10km）。光口側(cè)采用100G PAM4高階調(diào)制，可直接和4x100G PAM4的400G硅光模塊互聯(lián)互通，進一步提升了鏈路的容量和組網(wǎng)的靈活性。硅光子100G光模塊高度集成了調(diào)制器和無源光路，只使用1個激光器，實現(xiàn)4路信號的調(diào)制和傳輸，非常具有成本優(yōu)勢。

400G

在400G及以上速率，傳統(tǒng)直接調(diào)制已經(jīng)接近帶寬的極限，EML的成本又比較高，而硅基器件不僅具有高調(diào)制帶寬(>30GHz)，在器件尺寸、集成規(guī)模和成本方面也具有優(yōu)勢。在數(shù)據(jù)中心400G時代，基于硅光子技術(shù)的光模塊主要定位于500m~2km這個距離上（這里暫不考慮硅光子的相干技術(shù)）。

產(chǎn)品有400G QSFP-DD DR4，采用4路并行的106Gbps PAM4光信號，光纖為MPO接口單模光纖。硅光400G DR4既可以實現(xiàn)1分4的分支組網(wǎng)，與100G DR1/FR1對傳，又可以替代接入側(cè)短距離多模400G光模塊互聯(lián)，具備端到端成本競爭力。在單纖傳輸?shù)膬?yōu)勢下，與多波長光源封裝可以方便地切換為WDM模塊形態(tài)。

易飛揚早于2016年聯(lián)合光纖在線推進硅光事業(yè)，也承擔了深圳市政府關(guān)于硅光芯片開發(fā)的重大項目。目前已研發(fā)出3款硅光模塊，分別是100G QSFP28 DR1/FR1和400G QSFP-DD DR4，100G和400G的硅光模塊可以實現(xiàn)良好的互聯(lián)互通。易飛揚硅光光模塊憑借其信號質(zhì)量的優(yōu)越性，可以更好地適配帶變速器的100G PAM4 DSP，取得長期可靠性和性能的均衡。

表：易飛揚硅光模塊參數(shù)表

參考文獻：
1、硅光子技術(shù)在通信光模塊中的應用研究，中國通信標準化協(xié)會；
2、Perspective on the future of silicon photonics and electronics，AIP；
3、硅光子通信技術(shù)引領(lǐng)通信I/O革命性變革，羅森伯格；