數(shù)據(jù)生成與消費(fèi)的迅猛增長，使得數(shù)據(jù)中心對(duì)更高數(shù)據(jù)速率和帶寬的需求持續(xù)攀升。長期以來，銅互連一直是數(shù)據(jù)中心內(nèi)部高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)，為短距離連接提供了可靠且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。但隨著數(shù)據(jù)速率不斷提高，銅的物理局限性愈發(fā)凸顯，促使行業(yè)向光互連轉(zhuǎn)型。

本技術(shù)文章概述了從銅互連到光互連的轉(zhuǎn)型，重點(diǎn)介紹了SerDes IP的關(guān)鍵性能指標(biāo)、延遲考量因素、功耗以及線性光接口的興起。

影響從銅到光轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵性能指標(biāo)

從銅到光的轉(zhuǎn)型受到多個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)的影響。過去，數(shù)據(jù)中心前端的以太網(wǎng)連接多采用光纖解決方案，而內(nèi)部縱向擴(kuò)展則依賴銅纜。但銅互連的傳輸距離正在迅速縮短。在數(shù)據(jù)速率為112 Gbps時(shí)，銅背板線纜的長度約為2.5米。當(dāng)數(shù)據(jù)速率提升至224 Gbps時(shí)，該長度縮至約1米。

為應(yīng)對(duì)這些限制，目前主要有以下三種方案：

直連銅纜（DAC）

有源電纜（AEC）

有源光纜（AOC

雖然在短距高速連接中，DAC和AEC等銅纜解決方案仍占主流，但隨著對(duì)傳輸距離和帶寬的要求不斷提高，光纖技術(shù)必然是未來橫向擴(kuò)展的發(fā)展方向。

延遲考量因素

在光互連部署中，延遲是一個(gè)關(guān)鍵因素。光纖在傳輸距離和帶寬方面優(yōu)勢(shì)顯著，但與銅纜解決方案相比，其延遲更高。這主要是光傳輸中采用的Reed-Solomon（RS）效應(yīng)和漢明糾錯(cuò)機(jī)制所致。

在高速數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景中，例如對(duì)延遲極為敏感的加載和存儲(chǔ)操作，銅纜依然是首選。銅互連延遲較低，因此適合此類關(guān)鍵應(yīng)用。而像數(shù)據(jù)分區(qū)和分發(fā)等對(duì)延遲不太敏感的橫向擴(kuò)展操作，則越來越多地采用光纖解決方案。

功耗

對(duì)比銅互連與光互連，功耗是另一個(gè)重要的考量因素。有源光學(xué)模塊的功耗通常是同類有源銅纜模塊的2.5到4倍。這是因?yàn)楣鈧鬏斝枰~外的器件，比如激光驅(qū)動(dòng)器和跨阻放大器（TIA）。

盡管光互連功耗更高，但因它能支持更高的數(shù)據(jù)速率和更長的傳輸距離，因此其市場(chǎng)需求仍在不斷增長。目前，研發(fā)低功耗光學(xué)器件已成為重要的研究方向，旨在縮小銅纜和光學(xué)解決方案在功耗方面的差距。

▲圖1：與線性驅(qū)動(dòng)光學(xué)器件的節(jié)能效果比較

線性光學(xué)接口的興起

自2010年代初起，線性光學(xué)接口，尤其是10 Gbps速率的接口，就備受業(yè)界關(guān)注。不過，該技術(shù)近期才得到廣泛應(yīng)用。隨著數(shù)據(jù)速率不斷提高，傳統(tǒng)重定時(shí)接口的局限性日益顯現(xiàn)，這使得人們重新關(guān)注線性直接驅(qū)動(dòng)光學(xué)技術(shù)。

▲圖2：利用主機(jī)（交換機(jī)）電氣SerDes補(bǔ)償光學(xué)損耗

傳統(tǒng)的重定時(shí)接口使用DSP芯片來驅(qū)動(dòng)光學(xué)器件，這會(huì)增加復(fù)雜性和延遲。而采用線性驅(qū)動(dòng)光學(xué)器件則省去了傳統(tǒng)光纖傳輸之前用于信號(hào)重定時(shí)和均衡的中間DSP器件。通過將這些功能直接集成到主機(jī)芯片的SerDes中，線性驅(qū)動(dòng)光學(xué)器件簡化了傳輸路徑，降低了延遲和功耗。

線性驅(qū)動(dòng)光學(xué)器件的主要優(yōu)勢(shì)在于，能以更低復(fù)雜性處理高數(shù)據(jù)速率。在112 Gbps速率下，線性驅(qū)動(dòng)光學(xué)器件可直接與光學(xué)組件連接，提供簡潔高效的信號(hào)路徑。這種直接連接是通過將先進(jìn)的模擬和混合信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)整合到SerDes中來實(shí)現(xiàn)的，因此它能高保真地驅(qū)動(dòng)光學(xué)調(diào)制器并檢測(cè)信號(hào)。

為應(yīng)對(duì)224 Gbps的更高數(shù)據(jù)速率，業(yè)界正在研究混合方法。在如此高的速率下，更高的奈奎斯特頻率會(huì)在光域引發(fā)非線性問題，需要額外的器件來保證信號(hào)完整性。集成自動(dòng)增益控制（AGC）和時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）芯片的混合模式，正逐漸成為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的可行解決方案。

共封裝光學(xué)器件（CPO）和UCIe

近年來，關(guān)于共封裝光學(xué)器件（CPO）的討論日益熱烈。CPO將光學(xué)器件直接與主機(jī)芯片集成，縮短了電接口和光接口之間的距離，從而提升了性能。

通用芯?；ミB技術(shù)（UCIe）標(biāo)準(zhǔn)在CPO系統(tǒng)的開發(fā)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。UCIe有助于Multi-Die系統(tǒng)內(nèi)的Die-to-Die通信，實(shí)現(xiàn)高密度、高速連接。針對(duì)CPO，業(yè)界主要研究以下兩種方法：

串行PHY直接/線性光學(xué)驅(qū)動(dòng)：在該方法中，UCIe用于主機(jī)芯片內(nèi)的Die-to-Die通信，然后與包含SerDes和光學(xué)器件的I/O芯片連接。該方法傳輸距離較長，但由于存在額外的SerDes，延遲和功耗相對(duì)較高。

▲圖3：CPO用例：距離更長，但延遲和pJ/b較高，Gb/s/mm較低

并行PHY直接/線性光學(xué)驅(qū)動(dòng)：該方法無需SerDes，UCIE用于主機(jī)芯片和集成硅光子器件的I/O芯片之間直接通信。該方法傳輸距離較短，延遲和功耗較低，但需要借助CWDM（粗波分復(fù)用）等先進(jìn)光學(xué)復(fù)用技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)有效的光纖管理。

▲圖4：CPO用例：距離較短，但延遲和pJ/b較低，Gb/s/mm較高

更高數(shù)據(jù)速率帶來的挑戰(zhàn)與對(duì)應(yīng)的解決方案

從銅到光的轉(zhuǎn)型并非簡單替換傳輸介質(zhì)，而是需要一套全面方案，確保新的光學(xué)系統(tǒng)能夠在應(yīng)對(duì)固有挑戰(zhàn)的同時(shí)，提供所需的性能。線性驅(qū)動(dòng)光學(xué)器件作為推動(dòng)這一轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了更為簡潔高效的光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸。

隨著數(shù)據(jù)速率攀升到224 Gbps及以上，線性驅(qū)動(dòng)光學(xué)器件面臨的挑戰(zhàn)愈發(fā)嚴(yán)峻。在如此高的速率下，更高的奈奎斯特頻率會(huì)加劇信號(hào)完整性問題，比如引發(fā)非線性現(xiàn)象和信號(hào)損耗，進(jìn)而降低光學(xué)鏈路的性能。

為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，業(yè)界正在開發(fā)半重定時(shí)的混合方法。該方法在保留線性驅(qū)動(dòng)光學(xué)器件優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，增加了信號(hào)調(diào)理器件，例如AGC和CDR芯片。這些器件有助于減輕非線性和損耗影響，確保光信號(hào)在較長距離內(nèi)保持完整性。

▲圖5：半重定時(shí)線性光學(xué)接口變體

線性驅(qū)動(dòng)光學(xué)器件已成為現(xiàn)實(shí)

新思科技近期展示了PCIe 7.0和224 Gbps線性光學(xué)驅(qū)動(dòng)解決方案，充分展現(xiàn)了這些技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。這些展示突出了無源元件、線性放大器和調(diào)制激光器的集成，有力地證明了線性光學(xué)接口用于下一代數(shù)據(jù)中心的可行性。

未來高速互連的發(fā)展，關(guān)鍵在于光學(xué)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步。隨著行業(yè)邁向更高的數(shù)據(jù)速率和更復(fù)雜的系統(tǒng)架構(gòu)，光學(xué)解決方案的應(yīng)用將越來越普遍。研發(fā)低功耗、低延遲的光學(xué)器件，對(duì)于解決現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心橫向擴(kuò)展挑戰(zhàn)至關(guān)重要。

結(jié)語

從銅到光的轉(zhuǎn)型，源于人們對(duì)更高帶寬、更長傳輸距離和更高性能的追求。盡管銅纜在對(duì)延遲敏感的應(yīng)用中仍然重要，但在橫向擴(kuò)展場(chǎng)景中，光互連有望占據(jù)主導(dǎo)。線性光學(xué)接口的興起，以及超以太網(wǎng)和UCIe等標(biāo)準(zhǔn)的采用，為下一代高速數(shù)據(jù)傳輸解決方案奠定了基礎(chǔ)。光學(xué)技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)將在塑造未來數(shù)據(jù)中心連接方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，助力數(shù)據(jù)以空前速度高效、無縫地傳輸。