进入21世纪，信息技术突飞猛进，互联网、大数据、人工智能极大丰富了人们的交流和生活。 今天我想讨论从 400 Gb 光学到 800千兆 以及未来几年的 1.6 Tb 光学器件。 这些转变主要是由交换机芯片中出现的服务 I/O 速度的变化推动的。
目前，交换机芯片的很大一部分在 25 Gb NRZ 或 50 Gb PAM4 下运行，利用四个电气通道（在此图表中以灰色和黄色表示）。 从明年开始，以蓝色表示的 100 Gb 服务将开始发货，预计 2023 年销量将大幅增加。
事实上，预测表明，100 年 2023 Gb 通道的总带宽出货量将超过 2022 年所有出货量的总带宽。进一步展望 2024 年和 2025 年，如图所示，绿色部分代表预计早期出货量200 GB 服务 I/O。
100 Gb 服务速度直接驱动以太网光学格式中的 800 Gb 光学器件。 值得注意的是，这里最初的重点是双 400 Gb 和 Octo 100 Gb 分支应用。 此外，以太网技术联盟于 2020 年 2023 月完成了一项以太网规范，该规范将于 800 年开始集成到交换机芯片中。有趣的是，这可能是 XNUMX Gb 光学器件可大批量生产的第一个实例在千兆位以太网上市之前。
本幻灯片提供了有关带宽方面从 100 Gb 到以太网光学的预期过渡的观点。 如您所见，400 Gb（以蓝色显示）在未来两年内仍在稳定增长，预计将在 2023 年达到峰值，与 800 Gb 光学器件（以绿色显示）的推出同时发生。 预计从 2024 年开始，以太网光纤将成为主要选择。这种转变的可预测性主要是由更低的成本、更低的功耗和更高的密度驱动的，这些都是系统供应商和市场客户的关键考虑因素。
以下是 2023 年预计推出的以太网光模块列表：
所有这些光学器件预计将于 2023 年投放市场，其中一些现已进入实验室。 预计突破应用最初将成为这些以太网模块的主要用途。 这符合业界对交换芯片更高速率以及更高兼容性和灵活性的需求。 因此，光学模块必须支持满足这些分线应用的标准行业连接器，包括双 LC、双 Mini LC、双 MPO 和八路分线连接器到 XNUMX 个 SN/MDC 连接器。
该图显示了具有双 LC 和双 Mini LC 连接器的 OSFP 模块。 一些供应商已经在开发具有突破功能的模块，它们应该会在今年年底上市。
现在，转向 200G Lambda 光学器件，人们对提高每个 Lambda 的速度越来越感兴趣。 这一进步有望显着降低功耗（可能高达 20-30%）并节省成本。 此外，它是未来 Trinity 电气通道的绝佳选择，预计将出现在 102.4T Switch Silicon 上。
为了充分考虑潜在的成本降低，将当今实验室中的以太网速率模块与使用 1.6Gb 8x200G Lambda 的下一代 800Tb 8x100G Lambda 模块进行比较，发现它们共享相同的组件数量。 这包括相同数量的激光器、调制器、专用终端、连接器等。 从本质上讲，物料清单支持 100 Gig 一代和 200 Gig 一代之间每比特成本的显着降低。
200G Lambda Optics 的现状目前处于早期开发阶段。 虽然技术可行性已得到证明，但仍缺乏完整的 200G Lambda 规范。 该规范将包括这些链路的前向纠错和精确的光学规范，使业界能够制造和交付这些组件。
这些模块的采用预计将于 2023 年末开始，在 2024 年形成势头，并在 2025 年及以后实现更高的销量。 100G Lambda 光学器件可能会继续流行，可能持续到 2025 年至 2026 年甚至更长时间。
现在让我转向 1.6T可插拔光学模块，其中涉及使用 8 通道模块并在 8x100G 电气通道上运行，特别适合 OSFP。 经过研究和实验，发现这种方法不仅可行，而且可以通过机械尺寸的微小调整来实现，同时保持与现有以太网OSFP的完全向后兼容性。
值得注意的是，这些 200G Lambda 光学器件本质上与 200G 服务交换机芯片相关，预计将于 2025 年投入生产。相比之下，200G Lambda 光学器件的上市时间要早得多，可能最早在 2023 年下半年上市。鉴于 200G Lambda 光学器件具有节省成本和功耗的潜力，人们对尽快将其推向市场非常感兴趣。
为了在低成本模块的背景下实现这一点，最近推出了 OCFP XD。 该模块被称为“超密集”，具有 16 个 Gig 通道，有效地添加了第二排连接器引脚，使链路数量增加了一倍。 这项创新使 1.6 TB 模块与 51.2T 交换机芯片相结合能够在 2023 年交付。值得注意的是，前面板和模块侧的密度保持不变。
因此，只要功率要求一致，51.2T 密度就可以装入 1U 线卡或 1U 固定机箱中。 这种方法设想，未来具有 1.2.4G Lambda 和 200G 电气接口的 200T 密度也可以装入一个统一的连接器中。 该模块提供 16 个 100Gb 电气通道，可通过 1.6Gb 服务扩展到 200 Tb，功率规格高达 33W，这是支持相干应用所必需的。
特别重要的是，OCFP-XD 连接器笼的占地面积与堆叠以太网 OSFP 或 SFP 相匹配，允许系统供应商设计可配置堆叠以太网 osfp 或 SFP 的单个主板。 SFP 连接器 或使用 1.6 TB OCFP-XD。这项创新预计将显着加快采用速度。
预期的 1.6Tb 外形尺寸模块包括 1.6-ZR 模块、具有扩展范围的 LR 版本、CWDM8，其中包含 200 个 XNUMXG 通道 PAM4 通过双工光纤，Dual FR4 将采用双 LC，1.6T-DR8 将采用八路 SN/MDC 连接器。 人们还对在 16G Lambda 接口中开发 100 通道表示了一些兴趣。
OCFP XD 具有多项优势，包括成为当今市场上最密集的可插拔光学解决方案。 它在 1U 前面板的基础上有效地匹配未来交换芯片的密度，并支持从 H100G 到 200G Lambda 和相干的广泛光学技术。 此外，它还保留了可插拔光学模块在可配置性、可维护性和技术灵活性方面的所有优势。
现在，我们来讨论功率以及如何在光学中降低功率。 云带宽正在快速增长，预计每年增长 50-60%。 同时，光纤和网络交换的功耗每年以 25-30% 的速度下降。 然而，由于与功耗的降低相比，带宽的增长幅度更大，因此网络的整体功耗仍在增加。
为了解决这个问题，利用最先进的工艺技术是实现功耗降低的最可预测的方法。 预计功耗从 7 nm 降低到 5 nm，再到 3 nm 非常显着，几乎是两代产品的两倍。 这种减少适用于开关芯片以及 DSP 和光学器件。 功耗降低涵盖了 25.6 交换机、51.2T 交换机和未来的 1.2.4T 交换机，总系统功耗（包括交换机芯片、风扇功率和光学器件）在这两代产品中几乎降低了两倍。
专注于光学，最初的 400G DR4 缺乏集成 TIA 和驱动器，每比特功耗相对较高。 以太网 DR4 速率受益于更先进的 DSP 和集成驱动器处理技术，有望显着降低功耗。 当考虑到 1.6Tb 一代时，预计将采用 3 nm 技术，预计功耗将进一步降低。
虽然每比特的功率在下降，但由于从400G到800G再到1.6T的转变，每个模块的功率却在增加。 因此，目前 1.6 TB 数据中心模块的功率估计在 20W 到 25W 之间，而相干 DCO 模块的每个模块功率可达 30W。
要进一步降低功耗，就需要使用 3 nm 及以上、2 nm DSP，这些 DSP 可以显着降低功耗，特别是在数字方面，包括相干 DSP。 设计低功耗服务也很重要，人们不应低估工程师推动降低功耗的能力。 各种光学技术，包括低功率调制技术，可以帮助降低激光功率要求。
总之，业界正在积极致力于降低光学器件功耗的创新。 已经取得了许多进步，特别是在降低每位功耗方面，预计未来还会取得更多进展，到 5 年有可能实现 6-2026 pJ/位。正在进行的功耗降低工作与外形尺寸无关，这意味着它适用可插拔和共同封装的光学器件。
尽管如此，可插拔光学模块允许更立即地将新组件交付到安装基础中，这有利于实现光学设计方面的创新并促进将这些创新推向市场。
现在，让我们深入探讨联合封装光学器件的世界。 描述联合封装光学器件的当前状态可以最好地描述为一项正在进行的工作。 由于 Facebook 和 Microsoft 等行业参与者对 OIF（光互联论坛）、原型开发和原型演示的大量贡献，已经取得了相当大的进展。 挑战也是众所周知的，包括激光功率、光损耗、连接器问题、可制造性、可修复性和可维护性等。
共同封装光学器件的最初推动力是有可能将交换芯片和系统级的功耗降低高达 20%，主要是通过减少电气通道功率——从高功率 LR 服务转向低功耗 XSR 服务用于硅芯片和调制器之间的短距离连接。 遗憾的是，XSR 技术尚未得到实际应用，因此节能效果难以实现。
相反，芯片供应商开发了极短距离 (VSR) 模式，该模式虽然功耗不如 XSR，但已在 180T 交换机的壁插式水平上大幅降低了高达 51.2 瓦的功耗，超越了 LR SERDES。
此图显示功率级别：传统 LR Serdes 为蓝色，VSR 为绿色，目标 XSR 为黄色。 尽管 XSR 仍然是一种低功耗选项，但 VSR 已经弥补了这一差距，并且借助跨接电缆，相同的接口可用于 CPU 和可插拔光学模块。
然而，使用外部光源 (ELS) 使激光模块可更换的共同封装解决方案会引入额外的光学耦合损耗，从而导致与传统可插拔光学模块相比更高的激光功率要求。 与具有 ELS 的 CPU 解决方案中的单个连接器相比，这是由联合封装解决方案中的多个连接器造成的。
可能需要扩束连接器来防止灰尘污染，而额外的分束器和偏振损耗会导致大约 1.8 至 3 dB 的总额外损耗。 因此，激光功率必须增加50%至100%，从而显着增加功耗。 降低功耗的额外努力势在必行。
潜在的解决方案包括直接驱动，它消除了对 DSP 的需求，并利用交换芯片的服务直接驱动光学器件，从而显着节省功耗。 在 ELS 方面，通过将激光器移近调制器或探索硅光子学的不同调制技术来减轻耦合损耗，有助于降低功耗。
除了功耗考虑之外，共封装光学器件还带来了与 CPU 相关的挑战，例如可靠性、可维护性、可制造性和可测试性，以及业务模型的复杂性。 值得注意的是，51.2T 和 102.4T 交换机都不需要共同封装的光学器件，因为可插拔更新已成功满足这些需求，且没有风险或设计、可维护性和制造问题。 此外，与可插拔光学器件相比，当前的 CPO 解决方案无法实现节能。
总之，800G 光学模块目前正在开发中，目标是双路 400G 和八路 100G 突破应用。 接下来是基于 1.6 个 16G 电气接口的 100T 光学模块，可能于 2023 年开始生产，目标是生产 51.2T 交换机。 随后，采用1.6X 8G电接口的200T光模块也将跟进，目标是具有102.4G Serdes的200T交换机，预计生产时间为2025年。
整个行业必须继续关注推动进一步降低功耗的技术，包括最先进的 DSP 工艺、200G Lambda 和更低功耗的调制器。 在单位比特功率下降的同时，由于400G向800G、1.6T的过渡，模块的功率却在增加。
因此，为 20 至 30 瓦光学器件开发稳健的热解决方案至关重要。 总之，从开关硅中解耦光学转换提供了显着的优势，可以实现光学设计的创新以及快速集成到现有安装中。
