Avanço da tecnologia de interconexão do módulo óptico de alta velocidade do data center

Com base no crescimento acelerado dos serviços de rede, a demanda por largura de banda em data centers está ficando cada vez maior. Originalmente, a demanda poderia ser atendida agrupando vários links, mas hoje em dia a computação em nuvem, os jogos online e o vídeo HD online exigem uma grande quantidade de largura de banda de rede, que não pode ser atendida simplesmente adicionando mais links. Por exemplo, as portas de interconexão 10G básicas no uplink de um datacenter tradicional são agrupadas em 8, o que significa largura de banda de 80G. Se o custo de adicionar mais links for muito alto, muitos dispositivos de rede não podem suportar mais pacotes de portas, portanto, eles podem exigir apenas dispositivos de portas com taxas de encaminhamento mais altas, e 40G/100G é criado no contexto de uma demanda tão grande. Agora, 40G/100G foi dimensionado para voar em data centers comuns, tornando-se uma opção obrigatória para grandes data centers, com várias portas de interconexão de 40G ou 100G sendo implantadas em saídas de interconexão de data centers, aumentando a largura de banda de acesso externo do data center para mais de 100G , ou mesmo até 1T. Felizmente, a dificuldade técnica dos módulos ópticos de 100G foi superada para as pessoas, mas ainda existem muitos problemas com essa parte da tecnologia, que ainda está em desenvolvimento contínuo, então vamos falar sobre o progresso técnico nessa área.

Módulos ópticos de alta velocidade geralmente se referem a módulos ópticos com transmissão de 40G/100G ou superior, que são tecnicamente difíceis de alcançar, especialmente em termos de distância de transmissão, e é difícil para módulos ópticos de 100G atingir uma distância de transmissão superior a 10KM. Isso diminuiu a popularidade dos módulos ópticos de 100 G em aplicativos de data center. No entanto, essa tendência de desenvolvimento é irreversível, assim como nossos computadores e telefones celulares, que funcionam cada vez mais rápido, enquanto a tecnologia estiver melhorando, a velocidade continuará aumentando. A tecnologia de módulo óptico de alta velocidade também está em constante evolução. As mais maduras são atualmente a tecnologia PLC, bem como a tecnologia de integração baseada em InP e a tecnologia de integração baseada em fotônica de silício.

PLC (Planar Lightwave Circuit) é chamado de tecnologia de guia de ondas ópticas de plataforma, refere-se ao guia de ondas ópticas localizado em um plano, seu processo de produção é compatível com o processo de produção de semicondutores tradicional e mais barato que o processo de montagem óptica tradicional, a tecnologia de embalagem é boa. O PLC tem duas estruturas básicas: uma é um guia de onda óptico retangular, a camada do núcleo óptico é colunar; um é um guia de onda óptico em forma de cume, a camada de núcleo óptico é um retângulo no topo de um cume. A tecnologia PLC é o núcleo do processo óptico integrado de acordo com os requisitos funcionais feitos de uma variedade de guias de ondas ópticas planas, alguns também precisam depositar eletrodos em determinados locais e, em seguida, guias de ondas ópticas e depois acoplados a fibras ópticas ou matrizes de fibras, usando um tecnologia de preparação altamente integrada, o número de torneiras até 128. O uso de processos de fotolitografia, crescimento e corrosão seca para formar guias de onda ópticos enterrados em um substrato de quartzo para distribuição de energia óptica é a melhor tecnologia para produção de divisor óptico. O PLC pode ser obtido usando diferentes meios, como guias de onda ópticos banhados a titânio e niobato de lítio, guias de onda ópticos de dióxido de silício depositados à base de silício, guias de onda ópticos InGaAs/InP e guias de onda ópticos de polímero, etc. esses diferentes materiais, e as vantagens e desvantagens de cada um, então não vou entrar em detalhes aqui. Resumindo, a tecnologia PLC não é uma tecnologia completamente nova, mas ainda empresta muito da tecnologia óptica original, com a ajuda do processo de produção avançado, para atingir o objetivo de melhorar a largura de banda de transmissão de módulos ópticos individuais.

Quando a velocidade do módulo óptico é aumentada de 10G para 40G ou 100G, ainda pode ser satisfeita usando a tecnologia PLC, mas se tiver que ser aumentada para 400G ou mesmo 1T, essa tecnologia fica um pouco sobrecarregada. Os processos tecnológicos atuais ainda não dispõem de meios para atingir tais densidades de largura de banda, e se isso for conseguido com o aumento de módulos ópticos, claramente não é uma boa solução, e o PLC aumenta significativamente com a complexidade do processo de fabricação, o que também torna o o preço dos módulos ópticos do tipo PLC permanece alto e não pode ser reduzido, então surgiu a tecnologia fotônica de silício. Trata-se de uma tecnologia de comunicação óptica de baixo custo e alta velocidade baseada em fotônica de silício, que utiliza feixes de laser para transmitir dados em vez de sinais eletrônicos. Essa tecnologia de baixo custo não apenas reduz drasticamente o custo de expansão do data center, mas também quebra a vida útil da Lei de Moore em termos de taxa (se a Lei de Moore for seguida, é impossível que as taxas de transmissão Ethernet cheguem a 1T), tornando possível quebrar através de 1T de largura de banda em uma única porta, que é uma nova tecnologia de data center que tem recebido muita atenção desde 2016. No entanto, ainda existem desafios técnicos no acoplamento da fotônica de silício com fibras ópticas e há desafios no alinhamento do núcleo de 10 mícrons fibras com guias de onda de apenas 0.35 a 0.5 mícron de tamanho para inspeção em nível de wafer. Felizmente, ainda existem alguns fabricantes que superaram essas dificuldades técnicas e produziram alguns módulos ópticos fotônicos de silício para venda oficial, que superam o problema da curta distância de transmissão dos módulos ópticos de alta velocidade de 100G. Embora esses módulos ópticos ainda não sejam capazes de fornecer taxas de 200G ou mais, acredita-se que com o aprimoramento contínuo da tecnologia, certamente isso será possível no futuro. O fato de que a organização de padrões Ethernet já começou a desenvolver um padrão de transmissão 400G mostra que isso é teoricamente possível, caso contrário, não seria possível desenvolver tal padrão de transmissão.

A integração fotônica também é uma tecnologia que pode ser escolhida para futuros módulos ópticos de alta velocidade. Um circuito integrado baseado em guia de onda óptico com um guia de onda dielétrico como peça central integra dispositivos ópticos, ou seja, vários dispositivos ópticos são integrados em um substrato para formar um todo e os dispositivos são conectados entre si com um guia de onda óptico semicondutor para formar um módulo óptico de encaminhamento de alta velocidade. A integração fotônica é a área mais avançada e promissora das comunicações de fibra óptica e é uma das melhores maneiras de atender aos requisitos de largura de banda das redes futuras. Obviamente, a fabricação de módulos ópticos integrados fotônicos não é uma tarefa fácil. Os dispositivos fotônicos têm uma estrutura tridimensional e requerem deposição repetitiva e gravação em várias camadas dielétricas de filmes finos de diferentes materiais para produzir, e esse tipo de tecnologia complexa só deve ser vista em 400G.

A tecnologia do módulo óptico de alta velocidade do data center ainda está evoluindo e, uma vez que haja um avanço, será muito benéfico para os data centers aumentar sua largura de banda de rede. Em grande parte, a tecnologia de módulos ópticos de alta velocidade impediu que os datacenters mudassem para larguras de banda de rede mais altas. Do processo anterior de aprimoramento da largura de banda da rede, uma vez que os módulos ópticos de maior velocidade são projetados e implementados e disponíveis comercialmente, eles logo iniciarão uma onda de substituição na rede real e em todos os seus equipamentos de rede de suporte, fibras ópticas, chips de rede, etc. em breve será compatível com o suporte, portanto, o nível de desenvolvimento da tecnologia de módulo óptico determina o nível geral de largura de banda do data center e é a parte mais importante do data center para melhorar a largura de banda da rede.