光模塊：從自采到自研

  前言

  11月19日第十一屆網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)部技術(shù)峰會(huì)在深圳圓滿落幕。本次峰會(huì)圍繞硬件研發(fā)、硬件加速、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營四大領(lǐng)域，深度全面地展示了網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)部不斷精進(jìn)的研發(fā)能力及探索成果。下面讓我們共同回顧本次峰會(huì)中由硬件研發(fā)專家——孫敏博士呈現(xiàn)的《光模塊：從自采到自研》的精彩內(nèi)容。

  光模塊及應(yīng)用

  光模塊首次站在技術(shù)大會(huì)的舞臺(tái)，回顧了光模塊產(chǎn)品從商用到自采，再到自研的發(fā)展歷程。著眼未來，我們從“芯”出發(fā)，把握關(guān)鍵技術(shù)路徑，同時(shí)探索新型開發(fā)模式。

  光模塊麻雀雖小，五臟俱全，可以說是一套完整的小系統(tǒng)。電信號(hào)輸入，經(jīng)過dsp等芯片解析，然后進(jìn)入驅(qū)動(dòng)芯片，再去帶動(dòng)光芯片進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制出來的光再進(jìn)入到光無源系統(tǒng)進(jìn)行耦合，最后耦合光進(jìn)入光纖系統(tǒng)傳輸。

  光模塊不是數(shù)據(jù)中心專屬的，而是電信網(wǎng)絡(luò)，特別是長距離傳送網(wǎng)絡(luò)最早開始使用的。但是隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，包括設(shè)備的帶寬的提升，光模塊開始進(jìn)入到數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中。由于數(shù)據(jù)中心的發(fā)展速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電信行業(yè)，所以數(shù)據(jù)中心對(duì)光模塊的需求增長也遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電信行業(yè)。

  從商用到自采

  對(duì)騰訊而言，早期的40G網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，比如說我們買的實(shí)際上是傳統(tǒng)設(shè)備廠商的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括軟件，交換設(shè)備和光模塊等。商用系統(tǒng)成本高，出了問題不便于運(yùn)維，這是商用轉(zhuǎn)自采的一個(gè)重要原因。

  結(jié)合25G服務(wù)器的上線應(yīng)用，25G/100G模塊開啟自采之路，挑戰(zhàn)是必然的，第一個(gè)挑戰(zhàn)其實(shí)就是設(shè)備之間的適配，光模塊單體測試雖然沒有問題，但是在自采灰度階段，我們遇到了很多設(shè)備兼容性的問題，我們發(fā)現(xiàn)不同廠商的模塊在不同設(shè)備上每個(gè)端口的表現(xiàn)不一樣，在不同設(shè)備上的表現(xiàn)也不一樣，而且為了保證大家都可以傳得通，必須得做一個(gè)完善的適配方案，形成一套復(fù)雜的測試系統(tǒng)，很多時(shí)候甚至要一對(duì)一針對(duì)端口參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

  但是如果能把自采模塊管理的很精細(xì)，將會(huì)是一個(gè)非常有收益的事情。記得在15年到17年之間，我們現(xiàn)網(wǎng)出現(xiàn)大量的40G光模塊的故障替換，究其原因，其實(shí)是系統(tǒng)集成廠商的光模塊都是外購的，對(duì)光模塊了解較淺，并且對(duì)光模塊的質(zhì)量問題如何攔截也基本依靠模塊廠商。如果結(jié)合自己的實(shí)際應(yīng)用場景，把端到端的模塊技術(shù)方案進(jìn)行管理，端到端的流程進(jìn)行管控和優(yōu)化，同時(shí)把系統(tǒng)的質(zhì)量管理方案做到位的話，完全可以避免上面出現(xiàn)的這些問題。通過2到3年對(duì)自采光模塊的不斷優(yōu)化和管控，我們發(fā)現(xiàn)不只是成本逐年有收益，而且質(zhì)量問題得到系統(tǒng)改善，現(xiàn)網(wǎng)故障率不斷下降。

  從自采到定制

  自采光模塊的另一個(gè)優(yōu)勢是能夠滿足我們自己網(wǎng)絡(luò)的多樣化發(fā)展帶來的多樣化定制需求，比如業(yè)務(wù)部門提到10km分光監(jiān)控場景的需求，需要10km的模塊進(jìn)行互連，因?yàn)楝F(xiàn)成收發(fā)一體模塊價(jià)格高昂，在需求推動(dòng)下，我們借助現(xiàn)有的模塊平臺(tái)去做一些微小的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)低成本方案。另一個(gè)例子是DCI提到了2km的分光的需求，整個(gè)項(xiàng)目很有收益，但是技術(shù)方案上很有挑戰(zhàn)，需要結(jié)合我們的現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境，對(duì)現(xiàn)有的模塊進(jìn)行的深度的設(shè)計(jì)優(yōu)化，包括規(guī)格、模塊光學(xué)部分及芯片層面的一系列升級(jí)優(yōu)化。

  從定制到自研

  隨著100G服務(wù)器的批量上線，200G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入量產(chǎn)應(yīng)用，自研光模塊產(chǎn)品的誕生也契合了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)從100G升級(jí)迭代到200G。光模塊行業(yè)一個(gè)很大特點(diǎn)，就是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈類似于一個(gè)“陀螺式”或者“橄欖球形”，中間大，兩頭小，整個(gè)行業(yè)號(hào)稱可以做光模塊的公司不下于200家，但是處于產(chǎn)業(yè)鏈最上游的各類芯片廠家可能只有不超過10家，特別像DSP這樣技術(shù)門檻較高的芯片更是不超過5家，而最下游的應(yīng)用方或者終端用戶的數(shù)量也遠(yuǎn)少于光模塊廠商數(shù)量，呈現(xiàn)出來產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)混亂，同時(shí)也引申出來一些問題，需求不明確，不具體，芯片價(jià)值不清晰。自研光模塊的第一個(gè)目標(biāo)就是要打破這個(gè)生態(tài)，即我們與芯片廠商直接討論規(guī)格需求和成本(用量)需求，從而去實(shí)現(xiàn)真正的端到端的成本的競爭力。模式上，我們稱之為多方JDM模式，就是我們直接向芯片廠商發(fā)出規(guī)格需求，以及一些定制化功能，芯片廠商根據(jù)我們的需求進(jìn)行優(yōu)化或者重新開發(fā)，同時(shí)模塊廠商結(jié)合芯片的設(shè)計(jì)，與騰訊聯(lián)合設(shè)計(jì)模塊方案，最后由模塊廠商負(fù)責(zé)生產(chǎn)制造。

  進(jìn)入自研階段，我們要考慮的最重要的問題就是方案的設(shè)計(jì)和選擇如何實(shí)現(xiàn)最大價(jià)值。“光”跟“電”從傳輸屬性上有著本質(zhì)的差異，光有它自己的一些特殊屬性，比如不同溫度下的光功率特性，不同電流下的帶寬特性，還有不同條件下的波長特性。在光模塊開發(fā)過程中，往往會(huì)遇到，當(dāng)想去用一些非常有潛力的電芯片方案的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它不太懂光芯片特性，或者考慮不是那么周全，這種問題如果流入到現(xiàn)網(wǎng)，就會(huì)發(fā)生類似100G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代經(jīng)常遇到的“鏈路抖動(dòng)”。如果普通開發(fā)模式，為了滿足交付，難以繼續(xù)開發(fā)，但在自研模式下，我們就可以結(jié)合系統(tǒng)規(guī)格持續(xù)去推動(dòng)方案的不斷優(yōu)化，把電芯片做到更加懂光，從而發(fā)揮出更大的技術(shù)優(yōu)勢。

  光模塊大家常常理解為標(biāo)準(zhǔn)品，因?yàn)槎x好了外殼形態(tài)，輸入輸出接口規(guī)格，但內(nèi)部的光學(xué)封裝是一個(gè)特殊的東西，封裝方式五花八門，每一個(gè)廠商的設(shè)計(jì)都不一樣，涉及到的制造設(shè)備也是定制化的，如果我們要快速設(shè)計(jì)及制造一個(gè)自研模塊，我們就要面臨平臺(tái)選擇的問題。自研光模塊模式下，充分利用已經(jīng)成熟的100G模塊的封裝平臺(tái)，同時(shí)針對(duì)性的做一些升級(jí)改造，是滿足質(zhì)量穩(wěn)定性，開發(fā)效率以及低成本等訴求的最好解決方案。

  對(duì)下一階段的探索

  我們的網(wǎng)絡(luò)基本上是2到3年迭代一次，從交換芯片的路標(biāo)來看，全面112G網(wǎng)絡(luò)將在2023年來臨。近期大家已經(jīng)在討論下一代基于112Gbpsl的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的事情，包括網(wǎng)卡和交換設(shè)備。

  在模塊層面，前面2年我們也陸陸續(xù)續(xù)做了一些技術(shù)摸底，從100G到400G&800G，模塊功耗肯定會(huì)持續(xù)提升，同時(shí)，BER就是我們說的誤碼率，也會(huì)面臨指數(shù)級(jí)的劣化。這些需要加大在芯片層面的設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作，甚至包括參與芯片的設(shè)計(jì)。光學(xué)封裝方面也會(huì)面臨一系列的挑戰(zhàn)，需要探尋各種新的提高光學(xué)集成度的方案，在傳輸方案上，我們也需要持續(xù)挖掘以滿足騰訊的網(wǎng)絡(luò)場景需求。

  信號(hào)傳輸距離是互聯(lián)硬件的一個(gè)基本屬性，也是我們每次探討未來技術(shù)方案和發(fā)展趨勢的時(shí)候，必須要討論的關(guān)鍵約束條件。隨著基礎(chǔ)速率的不斷提升，我們的數(shù)據(jù)中心機(jī)房或者IDC在物理距離上基本不太會(huì)有大變化。因此，在做連接兩臺(tái)設(shè)備之間的模塊或者技術(shù)方案的選擇的時(shí)候，需要隨著傳輸技術(shù)的迭代而發(fā)生迭代的?！熬嚯x”的演進(jìn)上有三個(gè)界面，從短距離接入側(cè)來看，是“光”進(jìn)“銅”退，從IDC機(jī)房內(nèi)部連接來看，是單模替代多模，從DCI連接來看，是相干技術(shù)的不斷下沉。以上這些方面，我們也陸續(xù)做了一些提前布局，包括在112Gbpsl網(wǎng)卡接入這一塊，我們正在布局基于112Gbpsl TAC技術(shù)以及相應(yīng)的芯片合作開發(fā)。IDC機(jī)房內(nèi)部的連接方面， MM SR模塊可能無法滿足我們數(shù)據(jù)中心機(jī)房 (Building Range)內(nèi)部的連接，特別是跨房間的連接，這里，我們也在探索單模替代多模的方案，特別是在單模全集成芯片方案上也做了一些聯(lián)合開發(fā)的嘗試。IMDD和coherent的選擇和替代，我們預(yù)計(jì)可能會(huì)在1.6T或者單波400G這一代到來，所以未來我們會(huì)在Coherent-lite這個(gè)領(lǐng)域，特別是oDSP算法上做一些工作。

  從“芯”出發(fā)

  400G+上我們還會(huì)探索一些新的模式，其實(shí)有一些我們已經(jīng)在布局，包括建立芯片實(shí)驗(yàn)室及芯片級(jí)系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)，以及牽引一些行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)等。

  光模塊跟傳統(tǒng)電氣器件/設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別，就是它不僅要有“電”的特性，還要有“光”的特性，所以它必須同時(shí)面對(duì)微電子的摩爾定律和光電子的摩爾定律。隨著光進(jìn)銅退的趨勢，全球都在不斷整合核心的光電資源，以傳統(tǒng)電芯片領(lǐng)域的巨頭為首的廠商，他們也在往光電子這個(gè)領(lǐng)域不斷的去擴(kuò)張，為未來的光電融合趨勢做準(zhǔn)備。同樣，我們也需要做些什么，去迎接一個(gè)又一個(gè)挑戰(zhàn)。112Gbpsl可能是一個(gè)很長的過程，基于112G Serdes的400G+系統(tǒng)，正是我們需要在當(dāng)下布局， 展望未來的最好契機(jī)!