基于硅基光電子技術(shù)的800G可插拔光模塊技術(shù)演進

  摘要

  超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心帶寬需求的增加，正推動著800G可插拔光模塊的發(fā)展。新一代的可插拔模塊將利用更高的波特率、標準化協(xié)議和先進的集成，以實現(xiàn)在小型形式因子下進行800G傳輸。支持800GbE、多種客戶速率、互操作模式和低功耗等關(guān)鍵功能，將加速其商業(yè)化。憑借成熟的硅基光電子技術(shù)和三維封裝技術(shù)，800G可插拔模塊有望在2024年實現(xiàn)大規(guī)模部署。

  導言

  數(shù)據(jù)中心流量持續(xù)增長，正在推動著更高容量和更高效的光互連技術(shù)的發(fā)展。60G波特信號速率的400G可插拔模塊在過去幾年中已成功部署，但目前關(guān)注點正在轉(zhuǎn)向新一代800G可插拔模塊。

  預計超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心將引領(lǐng)向800G可插拔模塊的轉(zhuǎn)變，對下一代交換機和路由平臺提出了800G端口的需求。與400G時代類似，標準化組織正在推動參數(shù)的統(tǒng)一，以確保多供應(yīng)商間的互操作性和規(guī)模經(jīng)濟。這包括將波特率提高一倍至約120G波特，并將信道間距增加至150GHz。

  硅基光電子技術(shù)、三維集成和混合信號電子技術(shù)等先進技術(shù)，實現(xiàn)了800G操作所需的更高波特率和調(diào)制方案。在硅基400G可插拔模塊和性能優(yōu)化模塊獲得證實的基礎(chǔ)上，這些技術(shù)現(xiàn)可應(yīng)用于開發(fā)像QSFP-DD和OSFP等小型形式因子的800G可插拔模塊。

  支持800GbE、多種低速率客戶、互操作模式、高發(fā)射功率產(chǎn)品和低功耗等關(guān)鍵功能，將推動其在各類網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。隨著技術(shù)和標準化的統(tǒng)一，800G可插拔模塊有望在2024年左右實現(xiàn)大規(guī)模部署。

  800G光學標準的整合

  OIF、Open ROADM和IEEE等行業(yè)組織正在推動800G標準的統(tǒng)一，以確保多供應(yīng)商間的互操作性。這包括標準化800G光學參數(shù)、客戶端協(xié)議和模塊管理接口。

  在光傳輸方面，OIF正在定義800ZR，這是一種互操作的800G相干DWDM解決方案，通過使用約120 G波特信號速率和16QAM調(diào)制的3類光學，實現(xiàn)80公里的放大鏈路傳輸[1]。Open ROADM還指定了增強性能模式，包括用于提高光信噪比的概率星座整形(PCS)的互操作實現(xiàn)，其操作波特率為130+ G波特。

圖1. 2類約60+G波特到3類約120+G波特的波特率和信道間距的2倍擴展 (Source： Cisco)

  在客戶端方面，IEEE 802.3ck定義了100γ接口上的800GbE操作的物理層規(guī)范。OIF和Open ROADM還支持通過800G光鏈路對低速率客戶端(如400GbE和100GbE)進行分組復用。此外，OIF對公共管理接口規(guī)范(CMIS)的實施協(xié)議確保了多供應(yīng)商可插拔模塊之間的互操作管理。通過在光學、客戶端和管理參數(shù)方面的統(tǒng)一，800G標準將產(chǎn)生類似400G的規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)，同時確保多供應(yīng)商間的互操作性。

  支持800G可插拔模塊的先進技術(shù)

  利用硅基光電子技術(shù)、三維集成和混合信號電子技術(shù)等先進技術(shù)，對開發(fā)緊湊和高效的800G可插拔模塊很重要。

  硅基光電子技術(shù)提供了可集成在硅基板上的高帶寬密度波分復用組件，如調(diào)制器、波分復用器和光檢測器。這種技術(shù)可以以具成本效益和可擴展性的方式實現(xiàn)100G以上更高波特率的擴展。

  三維集成或硅化技術(shù)(如翻轉(zhuǎn)芯片焊接、堆疊芯片和高密度基板封裝)能將光子學和CMOS電子技術(shù)進行緊密集成。這種集成可以在800G速率下提高信號完整性和功率效率。

  新一代混合信號電子技術(shù)，例如每通道112G的DAC和ADC性能提升，以及新的DSP，實現(xiàn)了800G光傳輸所需的高速信號和復雜調(diào)制方案。

  這些技術(shù)已經(jīng)在基于硅的400G可插拔模塊和Acacia的CIM相干模塊等性能優(yōu)化模塊中得到驗證，使其有望支持大規(guī)模800G可插拔模塊的開發(fā)。

圖2. 從左至右：用于2類MSA可插拔模塊和3類性能優(yōu)化CIM 8模塊的3D硅化技術(shù)。

高度集成的共封裝對3類800G MSA可插拔模塊非常重要。(Source：Cisco)

  800G可插拔模塊應(yīng)用的關(guān)鍵功能

  為實現(xiàn)成功的大規(guī)模應(yīng)用，800G可插拔模塊需要支持一些關(guān)鍵功能，以滿足網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和行業(yè)發(fā)展需求。一個主要功能是支持800GbE客戶端流量。據(jù)預計2024年將有800G交換機和路由器端口，為互連這些平臺，可插拔模塊需要具備本機800GbE功能。在網(wǎng)絡(luò)中400GbE和100GbE等低速率客戶端仍廣泛存在的過渡期內(nèi)，對它們的多路復用支持也非常關(guān)鍵。

  互操作模式是另一個關(guān)鍵促成因素。800ZR將為相干DWDM鏈路提供基準模式。但是，Open ROADM的PCS模式提供了更高的性能，可達到與400G相當?shù)母采w范圍。這種靈活性適合各種網(wǎng)絡(luò)拓撲和應(yīng)用的需求。高發(fā)射功率產(chǎn)品對傳統(tǒng)的利用現(xiàn)有ROADM基礎(chǔ)設(shè)施的棕地網(wǎng)絡(luò)而言是必需的。內(nèi)置放大器提供了這些鏈路所需的更高的Tx功率。

  最后，低功耗仍是一個優(yōu)先事項。功率效率可以最大化800G交換機和路由器線卡的端口密度，也可以實現(xiàn)與現(xiàn)有400G端口的向后兼容。優(yōu)化設(shè)計的800G可插拔模塊將利用硅基光電子集成和CMOS工藝節(jié)點縮減的最新進展來降低功耗。

圖3. 說明800G MSA可插拔模塊所需的關(guān)鍵功能 (Source：Cisco)

  總結(jié)

  行業(yè)趨勢顯示，800G可插拔光模塊是數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的下一步進化。通過技術(shù)發(fā)展和標準統(tǒng)一的結(jié)合，800G可插拔光模塊有望在2024年左右實現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)部署。其出現(xiàn)將與新一代交換機和路由器的800G端口同步，為數(shù)據(jù)中心運營商提供直接的容量提升。800G可插拔光模塊將借鑒400G光模塊應(yīng)用中獲得的關(guān)鍵經(jīng)驗和技術(shù)，提供下一代光互連所需的功能和性能。