華工正源：數(shù)據(jù)中心光模塊需求和發(fā)展趨勢(shì)

  ICC訊 2020年數(shù)據(jù)中心的發(fā)展成為拉動(dòng)光通信行業(yè)全年發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ弧＝陙?lái)數(shù)通市場(chǎng)是光通信產(chǎn)業(yè)鏈上各企業(yè)的必爭(zhēng)之地。華工正源作為通信光模塊的領(lǐng)先企業(yè)，在數(shù)通領(lǐng)域有著深入的發(fā)展和巨大競(jìng)爭(zhēng)力?！暗?9屆訊石光纖通訊市場(chǎng)暨技術(shù)專(zhuān)題研討會(huì)”上，武漢華工正源光子技術(shù)有限公司有源事業(yè)部總經(jīng)理助理、成都研發(fā)中心主任胡云關(guān)于《數(shù)據(jù)中心光模塊的需求和發(fā)展趨勢(shì)》的報(bào)告展示了華工正源在數(shù)據(jù)中心的全系列解決方案和綜合實(shí)力，介紹了數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的規(guī)模及光模塊演進(jìn)及未來(lái)展望，通過(guò)對(duì)比不同方案件的優(yōu)劣窺探未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。在國(guó)家大力發(fā)展新基建的浪潮下，2021年，新一輪政策利好將助推我國(guó)數(shù)據(jù)中心建設(shè)迎來(lái)新發(fā)展機(jī)遇。未來(lái)，數(shù)據(jù)中心要從多方面提升規(guī)模、容量且可持續(xù)發(fā)展能力，數(shù)據(jù)中心建設(shè)發(fā)展對(duì)光模塊影響巨大。

  關(guān)于華工正源

  華工正源成立于2001年，是華工科技旗下核心戰(zhàn)略子公司，在武漢、成都、美國(guó)、深圳設(shè)有研發(fā)中心與銷(xiāo)售中心，公司專(zhuān)注于無(wú)線前傳、中傳、回傳，數(shù)據(jù)中心光模塊，特種數(shù)據(jù)光模塊，智能網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備解決方案。華工正源連續(xù)15年蟬聯(lián)中國(guó)光器件最具競(jìng)爭(zhēng)力企業(yè)十強(qiáng)，中國(guó)5G光模塊首單發(fā)布者，公司擁有超大型光模塊生產(chǎn)基地，月產(chǎn)能達(dá)到300萬(wàn)只，擁有核心專(zhuān)利超過(guò)160件。

  基礎(chǔ)設(shè)施投入增長(zhǎng)拉動(dòng)光模塊需求

  隨著技術(shù)的發(fā)展，通信行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施支出正在發(fā)生巨大變化，近年來(lái)，企業(yè)網(wǎng)在傳統(tǒng)的硬件IT和軟件投入上正在減少，并更青睞于外包給云服務(wù)商。而在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的投入迅速增長(zhǎng)，加上國(guó)內(nèi)加快新基建的建設(shè)，行業(yè)研究機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)中心建設(shè)未來(lái)幾年保持20%以上的增長(zhǎng)。國(guó)外方面，TOP5云廠商2020年第一季度資本支出為264億美元，比2019同比增長(zhǎng)56%。

  基礎(chǔ)設(shè)施支出的增長(zhǎng)正在影響全球光模塊光器件的市場(chǎng)，數(shù)據(jù)中心朝著大型超大型方向發(fā)展，流量迅猛增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)光模塊需求的增長(zhǎng)，光模塊的速率從100G到200G向400G演進(jìn)，根據(jù)行業(yè)研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)在2021到2025年，數(shù)據(jù)中心光模塊市場(chǎng)會(huì)恢復(fù)兩位數(shù)的增長(zhǎng)。

  光電芯片協(xié)同提升推動(dòng)光模塊速率快速升級(jí)

  在數(shù)據(jù)中心光模塊的技術(shù)演進(jìn)方面，數(shù)據(jù)中心對(duì)光模塊的要求第一為高速率，低成本，低功耗，小封裝，小功率。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正呈扁平化方向演進(jìn)，這種演進(jìn)解決的時(shí)延和拓展的問(wèn)題，但使東西向流量的劇增，從而需要更多更高速的連接。光模塊速率的提升需要光電芯片速率的協(xié)同提升相互配合，2013年25G的NRZ Serdes 第一次流片，推動(dòng)了2015年100G QSFP28模塊的批量出貨;2017年50G PAM4 Serdes的第一次流片推動(dòng)了2019年第一次400G系列光模塊的系列商用出貨;2020年100G Serdes的流片也將帶動(dòng)800G速率光模塊的發(fā)展。預(yù)計(jì)在2023年200G Serdes流片將推動(dòng)1.6T光模塊的演進(jìn)。數(shù)據(jù)中心的演進(jìn)分為三代，25GNRZ Serdes、 50G PAM4、 100/200G Serdes對(duì)應(yīng)了100G系列光模塊、400G、800G光模塊。

  數(shù)據(jù)中心的連接分為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的互連及數(shù)據(jù)中心之間的DCI互連，不同距離之間的連接需要各種各樣的光模塊解決方案。光模塊的演進(jìn)除了速率的提升，調(diào)制信號(hào)從NRZ到PAM4到相干，光通道從1×2向1×4及1×8演進(jìn)，從發(fā)貨的數(shù)據(jù)上看，1×4更多。

  基于50G serdes，對(duì)應(yīng)100G/400G光模塊，100米短距離傳輸用VCSEL的光芯片，針對(duì)單波100G的2公里到500米的主要還是硅光和EML的方案。DML方案由于光芯片線性度色散的問(wèn)題還在優(yōu)化，沒(méi)有成熟。針對(duì)不同的光芯片所需的工藝要求不同，對(duì)于多模VCSEL主要為COB，對(duì)于EML和硅光為COC耦合。硅光耦合的容差比單模更難。硅光的工藝上的難度有一定挑戰(zhàn)。

  400G系列光模塊中不同光芯片之間的優(yōu)劣比較：

  從帶寬上，EML帶寬目前研究表明已經(jīng)能夠證實(shí)可以達(dá)到60GHz，而硅光MZM可以達(dá)到50GHz。

  傳輸速率上，VCSEL在短距離100M，EML可以支持2公里，10公里和40公里。硅光在500M和2公里比較有優(yōu)勢(shì)。

  從成本上說(shuō)EML相對(duì)貴一些，批量能力來(lái)說(shuō),硅光的基于COMS平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)光電混合集成，量產(chǎn)能力高將會(huì)有保障。

  400G系列光模塊方案總結(jié)：

  基于VCSEL芯片的光模塊產(chǎn)品有用于短距100m的400G SR8/SR4.2的產(chǎn)品;基于EML芯片光模塊產(chǎn)品有100G、100G DR1/FR1/LR1/ER1、400G DR4/FR4、400G LR4;基于MZM(SiPh)芯片的產(chǎn)品為100G DR1/FR1、400G DR4、400G-ZR。

  對(duì)比單波100G的硅光方案和EML方案的功耗和性能的差異， 單波100G EML的功耗在4.5W，單波100G硅光的方案功耗控制在3.5W以內(nèi)，同時(shí)來(lái)說(shuō)，兩款產(chǎn)品在光眼圖性能上，硅光一樣可以滿足單波100G和400G DR4的性能要求。硅光的優(yōu)勢(shì)在于集成性高，可以集成MZM+SSC+PD。硅光在于缺點(diǎn)耦合插損大，需要搭配大功率CW、DFB。

  400G DR4 EML 對(duì)比 SiPh，400G DR4 EML功耗在 12W;400G DR4 SiPhL功耗在 10W以內(nèi)。DR4硅光的優(yōu)勢(shì)在于僅需要兩個(gè)CW DFB 、支持多通路集成、4CH MZM+SSC+4CH P，所以功耗和成本有優(yōu)勢(shì)。

  數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)DCI需求快速增長(zhǎng)，基于相干技術(shù)已成為100 Gb/s、200 Gb/s以及400 Gb/s長(zhǎng)距離傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)技術(shù)方案，從最初面向超長(zhǎng)距離的解決方案向包括城域網(wǎng)/接入網(wǎng)的傳輸市場(chǎng)和近年來(lái)特別關(guān)注的數(shù)據(jù)中心間高速互聯(lián)市場(chǎng)快速推進(jìn) 400G ZR標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布，ZR+正在推進(jìn)。

  400G-ZR解決方案，在2020年訊石研討會(huì)上胡云列舉了三種方案對(duì)比，總的來(lái)說(shuō)硅光相干集成和收發(fā)集成是比較好的低成本的解決方案。

  展望800G 預(yù)計(jì)2021年推出產(chǎn)品

  胡云認(rèn)為下一代800G可插拔光模塊，分為三步演進(jìn)：

  Step1:基于100G Serdes， DSP PAM4 8 in 8 out， 光口100G/l ，8x100G 產(chǎn)品 ---2021推出

  Step2:基于100G Serdes + Gearbox, DSP PAM4 8 in 4 out，光口200G/l ，4x200G 產(chǎn)品 ---2023推出

  Step3:基于200G Serdes， DSP PAM4 4 in 4 out， 光口200G/l ，4x200G 產(chǎn)品 ---2025推出。

  基于200G 光電芯片的展望，預(yù)計(jì)2022年200G/l 相關(guān)的光電芯片才逐步Ready，推進(jìn)1.6T (8*200G)可插拔光模塊才可實(shí)現(xiàn)，從而推進(jìn)102.4T交換機(jī)的發(fā)展?；?00G/l光器件的發(fā)貨會(huì)持續(xù)大約10年;基于100G/l光器件的發(fā)貨會(huì)持續(xù)大約10年。

  目前，正源擁有100G全系列產(chǎn)品正在大批量出貨，400G產(chǎn)品正在小批量階段，用于數(shù)據(jù)中心解決方案的800G DR8、100G DR1/DR1+光模塊、用于5G承載中回傳的200G LR4/ER4光模塊在CIOE 2020展會(huì)上隆重推出，受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。華工正源的單波100G 技術(shù)已經(jīng)具備，為8*100G光模塊解決方案做有力支撐。