數(shù)據(jù)中心內(nèi)的光模塊：支撐日益增長的性能需求

  ICC訊 可插拔式光模塊(亦稱為光收發(fā)器)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、校園、企業(yè)或服務(wù)供應(yīng)商的總部。

  思科全球云指數(shù)預(yù)計，截至 2021 年，每年的數(shù)據(jù)中心總流量(數(shù)據(jù)中心內(nèi)部或流出數(shù)據(jù)中心的所有流量)將達(dá)到近 20 Z 字節(jié)，而這一數(shù)字在 2016 年還僅為 7 Z 字節(jié)。全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)中心流量將以 25% 的年復(fù)合增長率迅猛增長，云數(shù)據(jù)中心流量的年復(fù)合增長率則會高達(dá) 27%。從 2016 到 2021 年，增長幅度達(dá) 3.3 倍。

數(shù)據(jù)來源：2016 - 2021 年的思科全球云指數(shù)

  促進(jìn)流量增長的是連接速率的不斷增長，正如我們所看到的一樣，連接速率從 10G 發(fā)展到 40G，再到 100G 以及現(xiàn)在的 400G。現(xiàn)在，100G 可插拔光模塊被部署到大規(guī)模數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中，向 400G 的升級正處于規(guī)劃之中，因為路由器/交換機(jī)端口現(xiàn)已支持 400G。

  “數(shù)據(jù)中心內(nèi)”的流量增長加速了市場對新一代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的需求，市場需要這些設(shè)備來支持更高的端口密度和更快的轉(zhuǎn)發(fā)速度。這些設(shè)備反過來又會促進(jìn)市場大規(guī)模部署高速光模塊，來連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的各個分層。

  隨著路由器/交換機(jī)端口速率提升，每比特成本現(xiàn)已因芯片的進(jìn)步(ASIC)而穩(wěn)步下降，我們在這方面會繼續(xù)得益于摩爾定律。然而，雖然可插拔光模塊的每比特成本也已經(jīng)下降，但是還沒有像路由器/交換機(jī)成本下降得那樣快。

  結(jié)果，隨著比特率增長，可插拔光模塊在硬件總成本中占到了較大比例。例如，在 10G 速率下，光模塊約占數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)硬件總成本的 10%。當(dāng)我們升級至 400G 時，光模塊占硬件總成本的 50% 以上。

  隨著光模塊速率增長，可插拔光模塊的設(shè)計和制造復(fù)雜度也隨之增長。起初速率為 100G，這導(dǎo)致可插拔光模塊在可用性方面滯后于路由器/交換機(jī) ASIC，大體上延誤了為滿足更高帶寬需求而進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)速率升級。

  數(shù)據(jù)中心未來趨勢與推動路由器和交換機(jī)發(fā)展的 ASIC 性能有關(guān)。ASIC 性能將繼續(xù)增長，從 10Tb 增至 25Tb 再到 51Tb 及以上，這需要 ASIC 中每個 I/O (輸入/輸出) 針腳的電氣信號速率得到相應(yīng)的提升。這種電氣信號速率將從現(xiàn)在的 25Gb/s 增至 50Gb/s 再到 100Gb/s，以支持輸入/輸出 ASIC 的總?cè)萘?。每次這一速率增長，將電氣信號從線卡傳遞至路由器/交換機(jī)面板的挑戰(zhàn)隨之大幅增加。

  為解決這一挑戰(zhàn)，即使傳輸距離只有交換機(jī)線卡內(nèi)的幾英寸遠(yuǎn)，業(yè)界也將在未來某個時候開始依賴光信號而非電氣信號。因此光模塊與芯片的聯(lián)合封裝在未來勢在必行，只有這樣才能確保路由與交換領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新。

  為確保我們能夠在部署時間、性能、功率和預(yù)期成本等方面推出符合客戶要求的解決方案，思科正在光技術(shù)領(lǐng)域 (例如硅光子學(xué)) 實施戰(zhàn)略投資。光模塊加上芯片和軟件，構(gòu)成了支撐思科在路由與交換領(lǐng)域不斷創(chuàng)新的根本性技術(shù)。

  光技術(shù)行業(yè)在很大程度上仍然依賴“獨立”的成套組件，這些組件涉及非常麻煩的測試和組裝過程。如果我們將其與半導(dǎo)體行業(yè)相比(在半導(dǎo)體行業(yè)中，極其復(fù)雜的功能借助高度自動化的流程被集成到芯片(ASIC)中，這些自動化流程很少甚至不依賴人機(jī)互動)就會發(fā)現(xiàn)，我們可以考慮利用這些自動化流程來處理“光子信號”，而非半導(dǎo)體流程中的“電氣信號”。硅光子學(xué)的希望在于利用半導(dǎo)體行業(yè)中的流程來使光模塊制造過程更充分地實現(xiàn)自動化。

  思科于 2012 年收購 Lightwire。Lightwire 是硅光子學(xué)領(lǐng)域中的一家早期創(chuàng)新企業(yè)。思科基于最初的 Lightwire 技術(shù)已開發(fā)出一系列產(chǎn)品并不斷對其進(jìn)行強(qiáng)化。

  思科收購 Luxtera 后成為光模塊領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先的引領(lǐng)者：

  擁有一系列采用硅光子學(xué)技術(shù)的 100G/400G 產(chǎn)品，這些產(chǎn)品適用于數(shù)據(jù)中心應(yīng)用，將有助于為思科的系列產(chǎn)品構(gòu)成補(bǔ)充

  已開發(fā)出業(yè)界領(lǐng)先的制造業(yè)流程自動化，已實現(xiàn)將半導(dǎo)體行業(yè)流程和自動化技術(shù)引入到硅光子學(xué)中的全部目標(biāo)

  在嵌入式光模塊領(lǐng)域的造詣已在業(yè)界深入人心，嵌入式光模塊是芯片與光模塊聯(lián)合封裝的一段重要的必由之路

  總而言之，現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心在距離極短的應(yīng)用 (<10m) 方面十分依賴光模塊。100G 光模塊是當(dāng)今數(shù)據(jù)中心內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位的技術(shù)，預(yù)計未來將會移植到 400G 以及更高速率。

  隨著路由/交換端口的成本不斷得益于芯片行業(yè)的進(jìn)步，光模塊現(xiàn)已在總成本中占據(jù)較大比例，因此思科將光模塊視為與芯片一起研發(fā)的一項重要技術(shù)，以便確保我們能夠跟上芯片性能發(fā)展的步伐，在成本與性能兩方面推動進(jìn)步。

  我們深知，隨著時間的推移，我們將需要整合芯片與光模塊，以便不斷擴(kuò)展交換機(jī)和路由器的性能。思科將在芯片和光模塊領(lǐng)域繼續(xù)投入力量，以確保我們能夠推出解決方案，滿足客戶在性能提升方面日益增長的需求。