资料中心对传输速率的需求持续提升,带动负责内连接的交换机容量不断提高,也让硅光子技术的重要性随之上升,400G甚至800G的硅光子晶片及模组纷纷问世,硅光子技术不仅成为光纤通讯的大势所趋,更是未来资料中心发展的关键。

  在现今资通讯蓬勃发展的趋势下,并肩负起人类生活型态的重大改变需求时,资料中心扮演着云端应用大脑的重要角色。将大脑进行细部解析,有运算单元、记忆单元、能源维生系统、并由脑内神经串接个别单元,彼此沟通、协调、让大脑正常运作。而现今热门的5G系统、无线通讯、低轨道卫星通讯、甚至光纤到家等网路,则可以类比于人体的传导神经,此类型系统是负责人体各项感官对外界资讯的收集,对内进行各器官运作的监控,及对人体行动下达指令进行各项动作的执行。因此人类可以思考、可以说话、可以动作、可以完成复杂的行为。因此资料中心内连接即可视为脑内神经的相当地位,建构一个完整并快速的内连接系统,可以大幅增加资料中心的能力,以构建更复杂、更快速反应的大脑。

  资料中心的内连接系统,可以区分为电传输与光传输为主,不过因为传输速率的需求提升,加上超大规模资料中心(Hyperscale Data Center)越来越多而导致传输距离的成长,目前光传输方案的布建比例越来越高,如图1所示(由Synergy Research Group发布)。依据美国专业IC製造商的推估,以一座内含10万部伺服器的超大规模资料中心而言,约需要1万部高速交换机,而所需要的光内连接数目则约需100万个,由此可见光传输的需求在资料中心的重要性日益增加。基本上光内连接可以区分为叁种类别,以应用于不同场合。第一种是伺服器到机柜置顶(Top of Rack)交换机的光内连接,在某些场合下,电内连接的方案可以视为是替代性作法。因为成本及生产考量,本类型短距离的光内连接大多採用以面射型雷射,搭配多芯数的多模光纤的做法进行,通常传输距离约100公尺以内。第二种是资料中心内交换机之间数据互相传输与交换的光内连接,传输长度为数百公尺到数公里之间。传统作法多以边射型雷射(直调式DFB雷射或外调式雷射)为光源,搭配分波多工技术的单芯单模光纤,或单纯的以多芯单模光纤直接连接。第叁种是资料中心对资料中心的连接,通常做异地储存或备援的功能,所以传输距离须达到数十公里,因此光讯号的传输品质必须较佳,目前则以外调式雷射传输搭配单模光纤为主。以上叁种应用场景,如Yole于2020年所发布的调查报告,于图2所示。

资料中心内连接效能升级关键 800G硅光子晶片加速光传输

  图1 超大规模资料中心布建数量与地区统计

  图片来源:Synergy Research Group

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  图2 光通讯应用于资料中心内连接之叁种场景

  图片来源:topticom

  800G传输需求日益增加

  至于资料中心内部对传输速率的要求,则因为半导体技术的发展,交换器内的主交换IC功能日益强大。自2018年美国交换机IC厂商利用16nm製程製作的交换器IC其交换速度达到12.8Tb/s,其连接介面为32×400GbE、64×200GbE或128×100GbE的传输埠,单通道传输速率为56G-PAM4.2020年该公司利用7nm製程製作的交换器IC其交换速度达到25.6Tb/s,内含超过300亿颗电晶体,其连接介面为64×400GbE,亦可支援256×100GbE的传输埠,单通道传输速率则为50G-PAM4或100G-PAM4为主。如图3为美国博通(Broadcom)之交换器IC演化(参考该公司报告)。

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  图3 美国Broadcom公司之交换器IC之交换速率与传输速率演化

  图片来源:Broadcom

  一般预期因为半导体製程线宽持续缩小,2023年将推出交换速度达到51.2Tb/s的交换器IC,其连接介面可支援64×800GbE,而单通道传输速率则提升为100G-PAM4或200G-PAM4.如图4所示。

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  图4 美国Broadcom公司之交换器IC及预估之未来发展趋势

  图片来源:Broadcom

  为了容纳更多更快的连接介面,该公司投入硅光子领域进行研究,将朝最高功耗效率、最高传输频宽密度,以及採用可插拔雷射光源以提高可靠性与营运效率。另外该公司分析交换器成本,发现光内连接的成本约是交换器IC成本的10倍,因此降低光内连接的成本也是一项重要目标。由图4显示,该公司亦将开发800G DR8光收发模组。

  800G传输需求与规格逐渐浮现,各式光收发模组的市场规模依据Light Counting发布的调查报告,如图5所示,目前仍以100G光收发模组为主流,产值占有市场约2/3.不过400G的需求将逐步成长,而2×400G的需求将开始浮现。

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  图5 各式光收发模组的市场规模分析

  图片来源:LightCounting

  多家领导厂商投入硅光子计画

  在未来更高速的连接介面逐渐有传统可插拔式(Pluggable)及共构光学(Co-Pacjaged Optics, CPO)等两种方式被提出。如由多家领导厂商(Accelink、AOI、Baidu、CIG、Fujitsu、H3C、Hisense、Huawei、Sumitomo Electric、Yamaichi Electronics、Luxshare、Tensent、Inphi、Lumentum等大型公司)新成立的800G可插拔式多来源协议(800G Pluggable Mulit-Source-Agreement)。可插拔模组具有更换容易、维修简单、与现有架构相近等优点,但是随着传输速率日益提高,其与交换器IC之间的高频走线损耗更加严重,甚至必须外加IC以补偿讯号于交换机内之衰减,同时因为可插拔模组必须安装可插拔连接器及光收发器外壳等,而导致传输频宽密度有所限制。共构光学结构则考虑在未来高速交换器IC上,其连接介面不管是频道数或是传输速率都持续增加之状况,将连接介面置放于高速交换器IC之旁边,则可以提高传输频宽密度,也可以降低高频走线损耗之困扰,所以也吸引许多公司投入,只是目前尚未有多来源协议等联盟产生,板上光学联盟(COBO)则将其演化列图说明,如图6所示。

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  图6 美国COBO协会预测的光内连接模组的演化趋势,左下为可插拔式、中间为板上光学、右上为共构光学等封装。

  图片来源:COBO

  相对于美国Broadcom的硅光子计画,美国的光交换系统设备厂商,如Cisco与Juniper也已经提早布局相关的硅光子技术开发。Cisco最早于2012年收购了Lightwire,开始掌握CMOS Photonics and Packaging的技术,然后于2018年底收购Luxtera,并于近期收购Acacia Communications。在数年前年大受欢迎的100G PSM4光收发模组,Luxtera与Intel两家公司以硅光子技术完成的产品占据大部分市场。而Acacia Communication则以硅光子技术开发同调式高速率光收发模组,也是目前的领导厂商之一。而于2020年6月进行的欧洲光产业论坛(EPIC)线上论坛,Cisco也展示其新一代高容量交换机的设计与想法,其内部採用共构光学模组取代传统的插拔式光收发模组,并以外接雷射的方式提供硅光子晶片直流光源。如图7所示,为Cisco与智邦共同开发,採用外挂式雷射光源,以提高系统可靠性与操作效率。

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  图7 Cisco与智邦利用共构光学模组完成的新一代高容量交换机

  图片来源:Cisco

  相对于Cisco以大量购併硅光子技术公司,加快提升解决日益需求高涨的连接介面方案的方式,美国Juniper也于2016年购併Aurrion,建立自己的硅光子技术,以因应未来的高容量交换机需求。Juniper于2019年底举办的NXTWORK 2019研讨会中,发表已经建立的硅光子技术与后续发展方向,提出「Silicon Photonics 2.0」的做法,将雷射与硅光子晶片积体化,如图8所示。目前光传输所需要的各式元件,如光耦合器、分光器、光分波多工器、光调变器、光接收器、极化控制器等均已经有解决方案,而其性能均有良好之表现。

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  图8 美国Juniper开发的硅光子技术

  图片来源:Juniper

  硅光子晶片最大限制在于硅材料为非直接能带的结构,无法藉由注入电流进行光电效应达到发光的效果。因此雷射光源通常採用外置的方式,可以分别封装再以光纤引入雷射光进入硅光子晶片,也可以利用覆晶式(Flip-chip)封装直接将雷射对準硅光子晶片之光耦合器引入雷射光,另也有设计微小光学结构经过聚焦透镜将雷射光注入硅光子晶片中的作法。而Juniper的做法则将具有发光特性的磷化铟量子井以晶圆对贴(Wafer Bonding)方式,先贴于硅光子晶圆上,再进行半导体製程,将雷射共振腔与其他硅光子元件一起製作,如此可以免除雷射与硅光子晶片耦光对準的额外封装流程,如图9所示。其雷射封装密度可以很高,而且可以藉由硅光子晶片调整雷射波长,但相对缺点则为技术困难,磷化铟量子井晶圆的使用效率较低,及无法事先对雷射进行筛选预烧(Burnin)影响成品率。

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  图9 美国Juniper开发的积体化硅光子雷射技术

  图片来源:Juniper

  Juniper于2019年推出400G-FR4及400G-DR4的整合型硅光子晶片,并组装成400G QSFP-DD的可插拔光收发模组,如图10所示。

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  图10 美国Juniper开发的硅光子晶片

  图片来源:Juniper

  Juniper对未来光连接的发展方向则倾向于捨弃具有固定尺寸的SFP/QSFP/OSFP等可插拔式光收发模组,改採用COBO(Consortium of On-Board Optics)积极推动的板上光学(OBO)的光引擎方式进行交换机的连接,而更前瞻的更大容量交换机则採用与前述Broadcom与Cisco相近的共构光学(CPO)封装方式,如图11所示。

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  图11 美国Juniper开发的硅光子晶片应用于共构光学封装的配置方式

  图片来源:Juniper

  在硅光子技术领先的美国Inphi即与另外一家设计生产交换器晶片的Innovium,2021年4月在COBO举办的线上研讨会中发表资料中心网路演化的报告,提及传统的插拔式光收发模组与共构光学光收发模组的优缺点,且预期将会共存一段时间。但是在更前瞻的51.2Tb/s的交换机系统中,则将会採用共构光学式光引擎,如图12所示。

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  图12 美国Inphi分析插拔式光收发模组与共构光学光收发引擎的优缺点(上)与未来51.2Tb/s的可能架构(下)

  图片来源:Intel

  至于以硅光子技术生产销售100Gb/s及400Gb/s光收发模组最领先的美国Intel,也于2020年美国OFC会议中发表1.6Tb/s硅光子引擎,与交换器IC的配置如图13(a)所示,图13(b)则为硅光子晶片发射端结构,採用双雷射光源配置以提高可靠性,同时採用微型环状调变器(Micro-Ring Modulator, MRM)可以减少硅光子晶片面积,也採用模态转换器(SSC)提高利用V形槽进行光纤封装时的耦合偏移容忍度,图13(c)为硅光子晶片接收端结构,利用高速锗光二极体进行接收。Intel是最早也是最成功将雷射与硅光子晶圆积体化的公司,累积相当丰富的研发及量产经验。

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  图13 美国Intel于OFC2020发表的1.6Tb/s硅光子引擎配置与硅光子晶片结构

  图片来源:Intel

  Intel也于2020年的Semicon West 2020会议中发表16通道整合式硅光子发射晶片及于未来将共构光学式光引擎应用于交换机的架构,如图14所示。

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  图14 美国Intel于Semicon West 2020发表的硅光子发射晶片及硅光子引擎结构与特性(上)与交换器IC的配置(下)

  图片来源:Intel

  硅光子技术为资料中心重要关键

  除以上所述各公司对硅光子技术之投入外,另外许多公司,如Rockley Photonics、Analog Photonics、Ranovus等亦有相当的投入,纷纷展现400G甚至800G的硅光子晶片及模组,硅光子技术的重要性随着交换器容量的提高而增加,不只是光纤通讯的重要发展趋势,更是未来资料中心持续发展的重要关键。