光互連：數(shù)智時(shí)代的數(shù)據(jù)傳輸密碼

數(shù)智化時(shí)代，我們每天都在享受科技帶給我們的便利。當(dāng)你問(wèn)家里的智能音箱“今天天氣怎么樣”時(shí)，智能音箱會(huì)立刻根據(jù)你的定位告訴你當(dāng)天的天氣狀況。那么這背后的技術(shù)原理是什么呢？

實(shí)際上，我們發(fā)出的“指令”會(huì)以數(shù)據(jù)包的形式上傳至互聯(lián)網(wǎng)并進(jìn)入全球的光纖網(wǎng)絡(luò)中，再匯聚到覆蓋數(shù)公里的眾多數(shù)據(jù)中心之一，從而實(shí)現(xiàn)信息的接收、映射和轉(zhuǎn)發(fā)。一個(gè)指令的數(shù)據(jù)包可能并不大，但假設(shè)一個(gè)城市甚至一個(gè)國(guó)家的人都在同時(shí)呼喚智能音箱，觀看短視頻，開(kāi)zoom會(huì)議…那么這個(gè)數(shù)據(jù)量可想而知會(huì)有多龐大…

為了應(yīng)對(duì)數(shù)智化時(shí)代人們所產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)中心對(duì)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和接口速度的要求也在不斷提高，數(shù)據(jù)中心開(kāi)發(fā)者希望能夠在降低延遲和耗電量的基礎(chǔ)上擴(kuò)大信號(hào)的觸達(dá)范圍。長(zhǎng)距離（Long-Reach, LR）連接對(duì)于日后的數(shù)據(jù)傳輸需求將會(huì)略顯吃力，而極短距離（Very Short Reach, VSR）傳輸技術(shù)將是未來(lái)趨勢(shì)。

為何要從長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)為短距離？

連接性是指無(wú)縫連接系統(tǒng)的能力以及監(jiān)控信息是否能在系統(tǒng)A與系統(tǒng)B之間良好傳輸?shù)哪芰Α＿B接性是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)，與信號(hào)在通信信道上的通信距離有關(guān)，由信號(hào)的“觸達(dá)范圍”決定。信號(hào)的觸達(dá)范圍越廣，耗電量就越大。

傳統(tǒng)的長(zhǎng)距離連接是通過(guò)銅來(lái)互連的，因?yàn)殂~具有高導(dǎo)電性、延展性、耐熱性和低成本等特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用最廣。未來(lái)幾年，數(shù)據(jù)的傳輸速率將從每秒100GB增加到200GB，這種情況下再使用電銅互連并通過(guò)PCB接口將信號(hào)傳輸到交換機(jī)就會(huì)變得異常困難，而且有點(diǎn)不切實(shí)際。盡管在這種情況下依舊可以通過(guò)高質(zhì)量等級(jí)電纜或有源電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這樣不僅會(huì)大幅增加插入和功耗損失，機(jī)械問(wèn)題也會(huì)進(jìn)一步加劇，比如電纜剛性，由此將導(dǎo)致很難進(jìn)入和靠近服務(wù)器機(jī)架的背面。

因此如果開(kāi)發(fā)者希望交換機(jī)能夠以更高的速度運(yùn)行，則需使用更粗、更密的通道提高數(shù)據(jù)傳輸量，也就是短距離（VSR）連接。

推動(dòng)VSR和光學(xué)器件進(jìn)入數(shù)據(jù)中心的趨勢(shì)

相比銅互連，光互連借助光的力量可支持更快的數(shù)據(jù)傳輸、更高的帶寬和速度、以及更低的延遲和功耗。數(shù)據(jù)中心向更高帶寬和新架構(gòu)的轉(zhuǎn)變將會(huì)推動(dòng)光纖傳輸鏈路進(jìn)入更多數(shù)據(jù)中心和機(jī)架中。

在當(dāng)下先進(jìn)的數(shù)據(jù)生成和處理環(huán)境中，有三個(gè)基本的市場(chǎng)趨勢(shì)驅(qū)動(dòng)著這一轉(zhuǎn)變：

可插拔光學(xué)模塊和共封裝光學(xué)器件

可插拔模塊確實(shí)會(huì)帶來(lái)電源問(wèn)題，但這些問(wèn)題可通過(guò)在主機(jī)SoC中加裝低功耗SerDes作為有源銅纜中的重定時(shí)器來(lái)解決。通過(guò)加裝重定時(shí)器，接口在VSR PHY標(biāo)準(zhǔn)上得到優(yōu)化，用于其余的電氣連接。這意味著團(tuán)隊(duì)可以降低功耗和面積，而不再需要一個(gè)擁堵的長(zhǎng)距離接口。雖然重定時(shí)器存在于上一代交換機(jī)中，但在插入和通道覆蓋方面仍有明顯損失。此外，由于PCB或連接器中使用了銅信號(hào)線(xiàn)，所以需要在中間加裝更多重定時(shí)器來(lái)補(bǔ)償插入損失。

如果利用VSR連接，無(wú)需使用重定時(shí)器也能實(shí)現(xiàn)接口標(biāo)準(zhǔn)化。數(shù)據(jù)中心以降低功耗來(lái)提高數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的帶寬密度的前提正朝著共封裝光學(xué)器件的方向發(fā)展，但是要廣泛采用還需要幾年時(shí)間。在此之前，光連接的方式依舊主要通過(guò)與VSR鏈路相連的可插拔光學(xué)模塊來(lái)滿(mǎn)足。利用這種可插拔模塊，可以更輕松地升級(jí)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，從而支持400G、800G以及1.6T的以太網(wǎng)。

VSR應(yīng)用實(shí)例

我們以上圖右上方所示的可拔插光學(xué)模塊為例。數(shù)據(jù)通過(guò)光纖進(jìn)入光學(xué)模塊后會(huì)先轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后需要通過(guò)電信號(hào)向主機(jī)方向傳輸。這些光學(xué)模塊體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，經(jīng)常受到空間和功耗的限制，這意味著每個(gè)組件都需要節(jié)能。除了這些挑戰(zhàn)，熱力學(xué)極限也會(huì)受到影響。因?yàn)楣鈱W(xué)模塊的尺寸有限，無(wú)法配置內(nèi)部冷卻機(jī)制，所以會(huì)導(dǎo)致模塊過(guò)熱。

這是VSR可發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。將互連從LR鏈路轉(zhuǎn)換成VSR鏈路后，用戶(hù)可節(jié)省大量功耗。當(dāng)下，光學(xué)模塊是VSR最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

在光學(xué)模塊的主機(jī)SoC端，情況有所不同。對(duì)于主機(jī)SoC端的交換機(jī)來(lái)說(shuō)，VSR連接在克服面積和功耗瓶頸上至關(guān)重要。隨著我們從25Tb一代交換機(jī)過(guò)渡至51Tb下一代交換機(jī)，LR互連在芯片中占據(jù)的面積會(huì)非常大，并且很快就會(huì)達(dá)到最高水平，所以制造過(guò)程的成本效益不高。

即使采用分割芯片和超短距離（XSR）互連等替代方案，系統(tǒng)的總功耗也相當(dāng)大，并且會(huì)影響整體系統(tǒng)性能。因此，VSR將再一次發(fā)揮用武之地，通過(guò)低延遲、低功耗和高吞吐量，縮小芯片面積，并將功耗大幅降低50%。

通過(guò)完整的光學(xué)集成解決方案為團(tuán)隊(duì)賦能

隨著VSR市場(chǎng)不斷發(fā)展，其功耗、性能和面積（PPA）優(yōu)勢(shì)受到業(yè)界關(guān)注，廣泛的集成支持和生態(tài)系統(tǒng)互操作性成為關(guān)鍵。新思科技112G以太網(wǎng)PHY IP支持長(zhǎng)、中、甚短和超短（LR、MR、VSR、XSR）電通道以及CEI-112G-線(xiàn)性和CEI-112G-XSR+光學(xué)接口。高能效PHY可提供出色的信號(hào)完整性能和抖動(dòng)性能，超越IEEE 802.3ck和OIF標(biāo)準(zhǔn)電氣規(guī)范的要求。

客戶(hù)現(xiàn)在有了一個(gè)全面且合規(guī)的解決方案，該解決方案針對(duì)28GHz奈奎斯特頻率下超過(guò)20dB的VSR通道進(jìn)行了優(yōu)化，并且考慮到了該行業(yè)在功耗或散熱方面的系統(tǒng)瓶頸。鑒于性能是一個(gè)多維度挑戰(zhàn)，我們會(huì)為芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)者定期提供集成、測(cè)試、驗(yàn)證和系統(tǒng)分析支持，以解決關(guān)鍵挑戰(zhàn)，這些支持超越了我們所提供的IP范疇。

為實(shí)現(xiàn)與其它收發(fā)器的互操作性，新思科技還全面支持跨供應(yīng)商驗(yàn)證，讓客戶(hù)在設(shè)計(jì)芯片時(shí)獲得不同程度的自由度和信心。新思科技針對(duì)VSR開(kāi)發(fā)的112G以太網(wǎng)PHY IP正在成為800G光學(xué)模塊的理想解決方案。