基于硅基光電子技術的800G可插拔光模塊技術演進

  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鍵功能，將加速其商業(yè)化。憑借成熟的硅基光電子技術和三維封裝技術，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、三維集成和混合信號電子技術等先進技術，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上，這些技術現(xiàn)可應用于開發(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)品和低功耗等關鍵功能，將推動其在各類網(wǎng)絡中的應用。隨著技術和標準化的統(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，同時確保多供應商間的互操作性。

  支持800G可插拔模塊的先進技術

  利用硅基光電子技術、三維集成和混合信號電子技術等先進技術，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(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，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。

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可插拔模塊應用的關鍵功能

  為實現(xiàn)成功的大規(guī)模應用，800G可插拔模塊需要支持一些關鍵功能，以滿足網(wǎng)絡應用和行業(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鍵。

  互操作模式是另一個關鍵促成因素。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)絡拓撲和應用的需求。高發(fā)射功率產(chǎn)品對傳統(tǒng)的利用現(xiàn)有ROADM基礎設施的棕地網(wǎng)絡而言是必需的。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光模塊應用中獲得的關鍵經(jīng)驗和技術，提供下一代光互連所需的功能和性能。