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數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)400G硅光光模塊技術(shù)方案淺談

摘要:騰訊淺談數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)400G硅光光模塊技術(shù)方案,認(rèn)為多芯片集成方案及多芯片分離方案,是硅光模塊的兩種基本形態(tài),集成方案的優(yōu)勢在于高速性能的均衡,密度高,體積小,分離方案的優(yōu)勢在于光電芯片組合靈活,封裝良率高,單芯片易兼容,同時(shí)開發(fā)兩種技術(shù)方案,設(shè)計(jì)400G硅光模塊更有利于為未來數(shù)據(jù)光互聯(lián)技術(shù)提前做好應(yīng)用儲(chǔ)備。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)400G硅光光模塊技術(shù)方案淺談

  本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號“鵝廠網(wǎng)事”,如涉及版權(quán),請聯(lián)系我們刪除。

  高密互聯(lián)

  需求伴隨著云業(yè)務(wù)的爆發(fā),單個(gè)騰訊云數(shù)據(jù)中心園區(qū)規(guī)模從10w機(jī)位快速增大到30w規(guī)模,針對越來越大的100G數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)集群需求,需要研發(fā)更高100G接入密度的交換機(jī)。大容量的單芯片開發(fā)簡單,使用方便,一直是自研交換機(jī)ASIC芯片的首選?;?2.8T芯片的128*100G的交換機(jī)形態(tài),和基于即將量產(chǎn)25.6T芯片的,最多可以設(shè)計(jì)成256*100G的交換機(jī)形態(tài),都是核心交換機(jī)的常規(guī)形態(tài)。但是,以25.6T芯片為例,256*100G的交換機(jī)占用8RU空間,至少使用9塊高速單板;單芯片做成的8RU Chassis,其背板設(shè)計(jì)非常復(fù)雜;且PAM4走線比較長,只能使用retimer芯片或者提高板材等級解決,因此8RU的256*100G Chassis不是最優(yōu)選擇?;诖耍瑢?5.6T芯片設(shè)計(jì)成64*400G形態(tài),64個(gè)400G端口使用1分4 FanOut光模塊,可以低成本、高可靠的實(shí)現(xiàn)256*100G的功能。此設(shè)計(jì)只占用2RU或者4RU空間,使用1塊高速單板且無背板設(shè)計(jì),大大降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和整機(jī)成本。

  硅光DR4/DR1的價(jià)值

  一分四Fan-out架構(gòu),要求互聯(lián)光模塊采用多路并行方案,而目前行業(yè)上主要分多模和單模兩種多通道模塊形態(tài),以400G的模塊架構(gòu)以及未來100G Serdes電口速率來說,單模相比于多模,不僅傳輸距離更遠(yuǎn),實(shí)際光學(xué)通道數(shù)更少。

  在單模芯片的選擇方面,EML和SiP各有優(yōu)勢,基于InP的EML較早實(shí)現(xiàn)單波100G傳輸,但良率和可靠性水平較低,對溫度敏感,SiP成本低,可靠性好,易擴(kuò)展。本次方案我們選擇硅光而不是EML作為芯片方案,不僅僅是上述因素,而是更長遠(yuǎn)的考慮。

  從方案上講,400G DR4是400G硅光光模塊的基礎(chǔ)形態(tài),在數(shù)據(jù)中心400G時(shí)代,既可以實(shí)現(xiàn)1分4的Breakout組網(wǎng),與100G DR1/FR1對傳,又可以替代接入側(cè)短距離多模400G光模塊互聯(lián),具備端到端成本競爭力。在單纖傳輸?shù)膬?yōu)勢下,與多波長光源封裝可以輕易切換為WDM模塊形態(tài)。同時(shí)數(shù)據(jù)中心光交換設(shè)備正在向著Co-PKG形態(tài)演進(jìn),多路并行硅光集成方案將會(huì)是標(biāo)準(zhǔn)的形態(tài)。

  模塊方案設(shè)計(jì)測試

  從性能和資源兩方面考慮,我們同時(shí)選擇了兩套硅光方案,一套方案突出封裝先進(jìn)性和整體性能,采用集成化的硅光引擎方案,DSP部分選用目前行業(yè)比較先進(jìn)的7nm低功耗芯片;另一套突出資源和產(chǎn)業(yè)鏈,采用分離式封裝的芯片國產(chǎn)化硅光芯片方案,硅光芯片部分性能出眾,DSP則采用比較成熟的16nm芯片,因?yàn)?A href="http://m.huaquanjd.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e7%a1%85%e5%85%89&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">硅光的寬溫光電效應(yīng)特點(diǎn),兩套方案都不需要TEC溫度控制,相比于傳統(tǒng)的EML方案,可實(shí)現(xiàn)更寬溫度范圍內(nèi)正常工作,成本更有優(yōu)勢。

  方案一:

  該方案核心芯片為一顆采用了3D封裝硅光全集成光引擎,單顆芯片同時(shí)集成了MZM,PD,Driver及TIA功能芯片,3D BGA封裝的優(yōu)勢在于能夠降低高頻衰減以及優(yōu)化MZM調(diào)制器的調(diào)制均衡,數(shù)字信號處理(即DSP芯片)選用一顆目前行業(yè)最先進(jìn)的400G 7nm PAM4 (8:4)芯片,單顆芯片功耗<4W。

  封裝方面由于硅光封裝和傳統(tǒng)自由空間光學(xué)封裝模板轉(zhuǎn)換和需要增加隔離器空間的原因,需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),因此采用定制化FA封裝組件,降低耦合損耗,能夠覆蓋短距及長距兩種規(guī)格:400G QSFP-DD DR4 (500m) ,400G QSFP-DD DR4+ (2km)

  經(jīng)測試,各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)超出預(yù)期,長期測試接收誤碼率,不開FEC下BER<10-8,BER floor可以做到10-10, 發(fā)射端眼圖TDECQ指標(biāo)一般調(diào)節(jié)水平<0.6dB,均衡BER后可以做到<0.5dB,表現(xiàn)優(yōu)異,模塊整體功耗實(shí)測小于8.9w,甚至優(yōu)于大部分400G多模光模塊水平,這也是得益于集成化PIC和7nmDSP的功耗優(yōu)化。

  模塊第一版芯片,各硬件部分保留了優(yōu)化空間,當(dāng)前選擇的Seed-Laser 的S.E當(dāng)前只有0.3,高溫下有所衰減,下一版本芯片可以優(yōu)化到0.5,光電芯片功耗上預(yù)計(jì)能繼續(xù)降低0.5w。M6板材SI性能還有進(jìn)一步優(yōu)化空間,TIA部分還有較高的衰減,優(yōu)化后可以支持10km模塊規(guī)格。

  方案二:

  該方案采用光電芯片分離封裝,即各芯片間信號通過PCB及Golden Wire鏈接,封裝形態(tài)靈活,綜合良率較高,除DSP,Driver和TIA以外,Seed-Laser,SiP,SiGe-PD,F(xiàn)A等光學(xué)芯片部分均為國產(chǎn)化方案,資源可控。16nm工藝400G PAM4(8:4)DSP芯片功耗5.8w;

  分離式硅光芯片,可以在較少的IO設(shè)計(jì)束縛下,單芯片設(shè)計(jì)上做出大膽的嘗試,此單芯片帶寬已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出100Gbps/lane,目前性能可以達(dá)到200Gbps/lane,相當(dāng)于同樣封裝密度下可以實(shí)現(xiàn)800G單模塊輸出。

  模塊本體測試眼圖TEDCQ<2dB,能夠滿足短距和長距離應(yīng)用需求。

      總結(jié)

  多芯片集成方案及多芯片分離方案,是硅光模塊的兩種基本形態(tài),集成方案的優(yōu)勢在于高速性能的均衡,密度高,體積小,分離方案的優(yōu)勢在于光電芯片組合靈活,封裝良率高,單芯片易兼容,同時(shí)開發(fā)兩種技術(shù)方案,設(shè)計(jì)400G硅光模塊更有利于為未來數(shù)據(jù)光互聯(lián)技術(shù)提前做好應(yīng)用儲(chǔ)備。

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文章標(biāo)題:數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)400G硅光光模塊技術(shù)方案淺談
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