來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自next platform，謝謝。
本周在聖地亞哥舉行的 OFC2022 會議上有很多關於光通信的討論。The Next Platform也與 Andy Bechtolsheim 就數據中心相關領域正在發生的，與硅光子相關的事情進行了交談。這有點像你去問莎士比亞，《哈姆雷特》的真正意思是什麼？然後為此寫一篇論文。Bechtolsheim 是硅谷傳奇的系統和網絡企業家，四十年前他是 Sun Microsystems 的聯合創始人之一，自 Arista Networks 成立以來，他擔任了公司一系列的職位，最後成為了該公司的董事長和首席開發官。2004 年，Bechtolsheim 的工作是綜合來自超大規模、雲和現在的大型企業客戶的所有網絡需求，所有進入系統的交換機和網絡接口 ASIC，以及所有關於電氣和光信號的研究，以及嘗試為 Arista Networks 的產品打造路線圖。接下來是關於硅光子學的有趣對話，特別是共同封裝光學器件的發展，它試圖解決一些令人討厭的工程問題，但如果 Bechtolsheim 是正確的，這些問題可能會被其他技術打敗。Timothy Prickett Morgan：我知道在硅光子學和共同封裝光學器件方面存在不同的陣營。有些人想要在芯片上使用激光，有些人想要在芯片外使用激光，然後有些人想要共同封裝光學器件，有些人認為可插拔光學模塊，就像我們多年來一直在使用的那樣，我們仍然在尋找將網絡與服務器和存儲結合在一起的最佳方式。那麼，這些陣營有什麼，他們面臨的困難是什麼？Andy Bechtolsheim：我認為考慮這一點的最佳方式是以降低功率為目的。換句話說，如果沒有降低功耗，沒有人會談論共同封裝的光學器件。顯然，聯合封裝確實是一種封裝技術——它不是一種新的光學器件，它不是一種新的 lambda，它不是一種新的光學接口。它實際上是在實施現有的 IEEE 光學行業標準，並且可能正在以某種方式推動更低的功率。這就是目標。如果它不提供更低的功率，沒有人會提到它。與傳統的可插拔器件相比，人們預測或想象使用共同封裝光學器件的功耗降低了 20%。現在，在我們深入研究功耗後，可以看到它們主要來自四個方面：一個是開關芯片和光學器件之間的電氣接口，當然，如果你把它做得更短，你需要更少的功率，這很好；第二個是 DSP 芯片，它並沒有真正改變，因為它是由光學要求驅動的；然後是激光功率和光調製器，所有這些加起來就是總功率。共同封裝減少了電氣通道長度，如果您有所謂的 XSR 通道，它是一個超低功率通道，與 VSR 通道相比，其範圍只有幾厘米，它能夠驅動信號通過十英寸，這確實省電。但從來沒有人製造過具有 XSR 通道的交換芯片，因為它沒有市場。這是一個非常昂貴的tape out，除非他們能夠獲得投資回報，否則人們不會這樣做。因此，到今天為止，還沒有具有 XSR 通道的開關芯片，只有當有為該接口定製的芯片時，XSR 才會相關。在光學方面，除 Intel 之外的大多數方法都有外部激光源。並且外部光源是連接的，這意味着它有一個黑色引腳連接器，連接到芯片上的共封裝，然後從共封裝芯片到前面板還有另一個連接器。因此，與可插拔光學器件相比，鏈路中有四個額外的連接器。此外，外部光源有分路器將其分成通道，然後是偏振光纖的整體問題，它從來都不是很完美，導致一些額外的損耗。有了外部光源，其光學效率差異為 3 分貝——因此您需要多 3 dB 的激光才能在 IEEE 規範要求的接口上實現相同的 0 dB 輸出。激光上的 3 dB 使激光功率翻倍。你實際上燃燒了更多的能量，而這種激光在高溫下的效率只有 10%。因此，您需要消耗大量額外的能量來驅動外部光源，從而產生與可插拔模塊相同的光輸出。因此，由於需要額外的激光功率，今天的聯合封裝實際上比可插拔器件具有更高的功耗。事實上，激光的影響是相當顯着的。而且因為在最壞的情況下，開關處於高溫狀態，人們在談論 500 毫瓦激光器，這些激光器運行得非常熱，它們的電輸入將超過 10 瓦。因此，它是一種非常重型的激光器，存在潛在的安全問題，以及如果收集器被任何可能熔化光纖玻璃尖端的灰塵顆粒污染。TPM：這聽起來不像是降低功耗，這至少意味着它不會給希望移動每比特功率和每移動比特成本每一代都下降的超大規模廠商和雲構建者產生吸引力。那麼，隨着交換機帶寬的增加，這種功率將如何下降呢？Andy Bechtolsheim：如果我們看看如何降低功率，與硅光子學相比，有非常有前途的新光學調製技術。聯合封裝的歷史與硅光子學密切相關並與之相結合，因為您需要一種高效的製造技術將 16 個通道或 32 個通道放在單個芯片上。在傳統世界中，當人們在晶圓廠製造這些東西時，他們不會屈服。但可以說，有了好的硅光子學，就像英特爾和其他公司已經證明的那樣，你可以做到。然而，硅光子有一個大問題，那就是它是一種高插入損耗調製器。您需要大量的激光功率來彌補在激光和出路之間您將損失大約 15 dB 的事實。所以要降低功耗，最好的技術其實不是硅光子，而是較新的技術，包括薄膜鈮酸鋰和鈦酸鋇，還有人做有機調製器甚至石墨烯調製器。因此，即將出現四種使用不同光學效果來實現調製的高質量且非常有前途的技術。他們在低得多的電壓水平下能做到這一點，因此驅動器電流更少；它們的電容要小得多，因此您需要的能量更少，並且帶寬更高。基本上，所有這些即將出現的新產品都比英特爾和其他公司大量出貨的優質、舊的Mach-Zehnder 調製器要好。這些 Mach-Zehnder 調製器採用具有成本效益、高度可製造的技術製造。但是，它們的功率並不低。人們真的很想解決電源問題，所以你必須使用新技術。在 Arista，我們實際上已經與一些主要供應商合作，以 800 Gb/秒的速度構建鈮酸鋰薄膜可插拔模塊，使用 8 通道 112G/λ，我們使用 7 納米 DSP 完成了這項工作。如今，與之競爭的硅光子產品在 16 瓦範圍內，而具有相同 DSP 的鈮酸鋰為 12.8 瓦。節省 3 瓦。使用 5 納米 DSP，我們預計常規硅光子器件的功率將降至 13.3 瓦，節省 2.7 瓦，但鈮酸鋰將達到 10 瓦。這是一個令人難以置信的功率降低，實際上它現在處於人們想要通過固定調製器插入損耗來實現的共同封裝光學器件的功率水平。不幸的是，這種改進在聯合封裝中要困難得多，因為鈮酸鋰調製器並不小。它比傳統的環形或 Mach-Zehnder 調製器大很多。因此，它不太適合聯合封裝切片。這不是模塊的問題——那裡有很多區域——但是將其中的 32 個通道放入帶有 DSP 的 OAF 定義的外形尺寸中，這將非常具有挑戰性。此外，它不是硅光子學，因此可能還有其他需要解決的良率問題。現在，還有其他有希望的事情即將出現。我上面提到的 BTO 調製器將具有更低的插入損耗，並且在將電能轉換為所需的調製光學效果方面具有更高的效率。所以也許他們可以達到更低的功率水平。他們在實驗室中有一些很有前途的早期演示，但還沒有完整的模塊可以讓我們對其進行測量；我們將在今年晚些時候或明年初擁有它。人們聲稱有機模塊效率更高，功耗更低，但同樣，這仍處於實驗室階段。鈮酸鋰調製器仍是原型，可能需要 18 個月或其他時間才能量產。可以預見，我認為人們會對這些新的調製技術產生濃厚的興趣，因為它是降低功率的最簡單方法。這是調製路徑上的物理變化，然後有助於降低激光功率，順便說一下，這也使激光器更可靠，因為使激光器更可靠的最簡單方法是降低功率，從而減少熱量，這減少了熱問題。這就是為什麼我們認為目前業界最有希望的行動就是專注於低功率調製。但與可插拔收發器相比，這是共同封裝光學面臨的真正問題。在可插拔世界中，光學技術的選擇與開關芯片並不是緊密耦合的。它們是分散的，您可以向市場提供可插拔模塊，並插入一個平台，只要它準備好就可以大批量運輸。但在聯合封裝的世界中，您幾乎必須提前兩年選擇要押注的技術。開發這 32 個通道切片需要很長時間，這給了它們迭代的機會，並且需要您在第一天進行規範。因此，如果您想在今天為 2024 年推出的 102.4 Tb/sec 開關芯片進行聯合封裝，您必須立即開始，承諾精確設計，即聯合封裝光學切片。而使用可插拔光學器件，您可以完全解耦，如果我們需要一年或更長時間才能準備好，沒問題，我們可以在 2025 年發貨。TPM：總是很難與分立的組件打賭。在系統的所有級別中，我們都需要解耦特定的技術，這樣一個延遲就不會停止所有事情，並且具有深度和開放的互連，因此我們可以將任何東西附加到socket、節點內或跨網絡的任何東西上。Andy Bechtolsheim：從業務層面來看，你擁有當前供應鏈中的所有競爭。製造這些可插拔光學模塊的公司有很多，您還可以在新技術領域進行競爭，因為押注鈦酸鋇調製器的公司不會押注鈮酸鋰。一個會比另一個成功，但現在說還為時過早。我不能告訴你。如果你和這些初創公司交談，他們會非常樂觀，他們得到了自切片奶酪以來最好的東西。TPM：還有人會說他們有自切片白麵包以來最好的東西，我們可以做小三明治。...Andy Bechtolsheim：對。在實驗室的基礎上，它們都有有效點。但它們都沒有投入生產，這意味着有數百萬台的差距。最後，如果你不能把它變成數百萬，它就不是市場的解決方案，因為他們無法提升它。TPM：我知道降低功率和降低每比特移動的成本是超大規模和雲構建者的驅動力，但有時他們會接受網絡設備（交換機、光學器件或網絡接口卡）的更高功率 ，以換取較低的資本成本？Andy Bechtolsheim：有些客戶只關心成本。事實是，它今天正在發生。今天，在光學功率方面，差異就像在光學組件級別或模塊級別節省 20% 到 25%，但在數據中心級別，這是 1% 或更低。在包括服務器、存儲和交換機在內的總功率中，光學器件並沒有那麼大的驅動力。但是，對於每個機架或每個數據中心設施房間，每個房間和每個機架的電源容量有限，客戶沒有選擇也不能更改數據中心，因為它們需要五年或更多時間去建成的他們可能已經配置過的設備。例如，每個機架 2 千瓦。所以他們總是不得不保持低功率，因為他們被限制了。所以對功率存在物理限制，這與綠色能源或拯救氣候無關，而改變光學系統可以在那裡做出貢獻，有些人可能願意支付額外費用，因為降低功耗的新技術最初可能會花費更多。就網絡的高級目標而言，較低的功率是可取的。成本是一個單獨的問題，但人們想要低成本、低功率和高可靠性，但正如我所說，低功率與高可靠性齊頭並進，因為較低的激光功率已被證明是提高激光功率可靠性的最佳方式。忽略灰塵污染，90% 到 95% 的光學故障是由激光造成的，而這些數據是針對 100 Gb/秒的收發器的，而在 400 Gb/秒時情況會變得更糟，因為激光更熱。激光是這裡的罪魁禍首。但是，如果您製造的激光器使用 1/10 的功率，它的可靠性就會提高許多數量級。我認為整個論點的癥結在於人們想要高可用性，他們想要低功耗，他們想要高帶寬，但最難的是可靠性。並且專注於可靠性，還有一個可維護性方面。使用可插拔模塊，這很容易：您可以在交換機運行時將其拉出並在現場更換。使用聯合封裝，如果出現開關級故障，這是一個非常昂貴的替代品，儘管外部激光源 (ELS) 是可插拔的，這解決了部分問題。但仍有 5% 的光學故障與 ELS 無關，而這只是其中之一。如果您的系統中有 64 或 128 個，它們可能會主導字段事件的數量。這不是一件令人高興的事情，因為我們不想因為光學器件發生故障而恢復開關。TPM：超大規模製造商和雲建設者在網絡中的光收發器和共同封裝的光學器件方面有何賭注？他們是不同的選擇，還是他們都關注？Andy Bechtolsheim：它們並沒有什麼不同，這意味着每個人都想要這種高可靠性和低成本。哦，順便說一句，在我們達到這裡的目標之前，我們需要討論一個問題。那就是網絡成本與數量高度相關。這意味着所有這些東西都需要大量的前期工程費用、產品成本、設備成本來投入生產。沒有體積，聯合封裝永遠不會比可插拔更具成本效益。在可插拔領域，該行業每年生產 1000 萬個光模塊，而聯合封裝是從零開始，需要很長時間才能向上移動。然後你就會知道混合和匹配問題，並且聯合封裝實際上只適用於交換機上所有端口的相同光學標準接口。您不能像使用可插拔的那樣混合和匹配收發器。所以問題是：聯合封裝的光學器件是否會量產，因為只有最終證明可靠、可製造且具有成本效益，才能實現量產。如果它更便宜，人們會注意的，對吧？但是今天，它並不便宜。需要大量數量才能變得更便宜。TPM：那裡有經典的雞和蛋問題。如果沒有出現工程技巧——你知道，四年前，包括你在內的很多人都說，以 112 Gb/秒的本地信號傳輸電信號會耗盡力氣，現在我們有一些材料科學進步，看起來該行業將能夠推動高達 224 Gb/秒的本機信號。Andy Bechtolsheim：雖然四年前我確實預計超過 100Gb/秒的 SerDes 電速度將非常具有挑戰性，但現在很明顯這不僅是可行的，而且會在 2025 年的時間範圍內發生，並且是不是導致採用共同封裝光學器件的拐點。但這裡還有第二個問題，因為它與外部激光器有關，特別是與Ayar Labs 的環形調製器技術有關，該技術在較慢的速度下是最佳的，即使用 NRZ 編碼的 32 Gb/秒和 64 Gb/秒。它可能達到112G-PAM4，但我的理解是它無法輕鬆支持224G-PAM4，這意味着Ayar的技術本身無法解決高速I/O問題。當然，使用反向齒輪箱總是有可能從 224 Gb/秒下降到 112 Gb/秒，但反向齒輪箱的功率或成本效率不高，而且無論如何不會增加多少 I/O可以下車。Broadcom 聲稱共同封裝的光學器件可節省 50%，這是基於消除光學器件 DSP 並使用開關 SerDes 直接驅動光學器件。確實如此，但是您也可以使用可插拔模塊和合適的開關 SerDes 來做到這一點。我們的堅定結論是，224 Gb/秒信號不需要共同封裝的光學器件。因此，在這一點上，除了認為它會降低功率之外，沒有什麼可以推動共同封裝的光學器件。但是你可以通過改變調製技術更容易地降低功率。★ 點擊文末【閱讀原文】，可查看本文原文鏈接！
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