人工智能新驅動力-硅基光電子、薄膜鈮酸鋰及光電協(xié)同設計， 破局200Gbps鏈路高速傳輸瓶頸

  簡介

  在人工智能（AI）和機器學習（ML）技術進步的推動下，數據消費呈指數級增長，對現(xiàn)代數據中心的高速連接產生了前所未有的需求。隨著人工智能模型的復雜性不斷提高，參數數量達到天文數字（例如，BaGuaLu 的內核數量超過 3,700 萬），對帶寬和低延遲互連的需求變得非常重要。本文將探討能夠支持超過 200 Gbps 數據傳輸速率的下一代有線收發(fā)器的行業(yè)趨勢、新興技術和設計考慮因素，這些對于實現(xiàn)人工智能和數據中心應用中的無縫數據流非常重要，Alphawave的Tony Chan Carusone在ISSCC2024論壇上發(fā)布了題為：”The Impact of Industry Trends on 200+Gbps Wireline R&D” 的報告，本文將梳理其中的大致內容。

  驅動連接需求的大趨勢

  1. 人工智能連接性和擴展性

  人工智能和 ML 工作負載的快速增長導致了大規(guī)模計算集群的部署，這些集群由數百到數千個通過高速鏈路互連的加速器（xPU）組成。到 2027 年，預計約 50% 的市場收入將由人工智能加速服務器驅動，其中 20% 的以太網數據中心交換機端口將連接到人工智能服務器。此外，預計這些交換機端口中的 50％ 將以 400 Gbps 或更高的速度運行，到 2025 年，800 Gbps 的增長速度將超過 400 Gbps（圖 1）。

圖 1：人工智能連接和擴展的預計增長（來源：Dell'Oro Group 數據中心 IT 資本支出預測，2023 年 1 月）

  2. 分解存儲

  推動高速連接需求的另一個重要趨勢是分解存儲架構的興起。通過將存儲集中在共享池中，數據中心可以提高效率，實現(xiàn)更大的共享池，從而提高資源利用率。然而，這種方法依賴于 PCIe 和 CXL 等低延遲互連，以確保計算資源和分解存儲之間的無縫通信。

  3. 有線收發(fā)器趨勢

  為滿足不斷增長的帶寬需求，有線收發(fā)器數據速率大約每五年翻一番（圖 2）。預計這一趨勢將持續(xù)下去，在不久的將來，200 鏈路收發(fā)器將被廣泛采用，隨后幾年將出現(xiàn) 400 Gbps 和 800 Gbps 鏈路收發(fā)器。

圖 2：2010-2023 年已發(fā)布的收發(fā)器，顯示數據速率每五年翻一番的趨勢（來源：ISSCC 論壇）

  4. 200G 鏈路的優(yōu)勢

  采用 200Gbps 鏈路比采用較低數據傳輸速率的鏈路更具優(yōu)勢。例如，一個 51.2 Tbps 的 1RU（機架單元）交換機需要 32 個模塊，每個模塊有 16 x 100 Gbps 光鏈路，與 8 x 200 Gbps 鏈路的同等配置相比，激光器數量增加了一倍。通過減少激光器數量，200 Gbps 鏈路可大幅降低功耗和成本。此外，更高的每信道數據傳輸速率可使網絡拓撲結構更扁平，采用更高的弧度交換機，從而減少延遲-這是人工智能工作負載的關鍵要求。

  200G 鏈路的新技術和注意事項

  1. 收發(fā)器內部

  要支持 200 Gbps 的數據傳輸速率，有線收發(fā)器必須采用先進的數字信號處理 (DSP) 技術和強大的前向糾錯 (FEC) 方案。為了減輕因嚴重信道損耗（大于 30 dB）而造成的符號間干擾（ISI），必須采用大量均衡，如具有大量抽頭的決策反饋均衡器（DFE）。此外，巡回抽頭有限脈沖響應（FIR）均衡器等 DSP 技術也有助于解決短電纜信道中的反射問題。

  FEC 在確保通過有損信道進行可靠的數據傳輸方面發(fā)揮著重要的作用。在 200 Gbps 的速率下，需要更強大的 FEC 方案，從而導致解碼復雜度、功耗和延遲增加。為了平衡編碼增益、功耗和延遲之間的權衡，目前正在探索分段 FEC（每個鏈路段都由自己的優(yōu)化 FEC 保護）和串聯(lián) FEC（為光鏈路提供雙重保護）等技術。

  在 200 Gbps 速率下采用軟決策 FEC 的一個重要架構影響是有效排除了模擬串行器/解串器（SerDes）架構。取而代之的是，有必要在 FEC 和模擬前端 (AFE) 之間進行更緊密的集成，這有利于基于模數轉換器 (ADC) 的 DSP SerDes 架構。

  2. 200G 光電子技術

  目前正在為每波長 200 Gbps 的應用研究各種調制技術。電吸收調制激光器（EML）是一種很有前途的選擇，提供了適度的擺幅要求和差分驅動配置的潛力。然而，在優(yōu)化消光比（ER）和啁啾方面仍然存在挑戰(zhàn)，尤其是在較長的波長上。

  硅基光電子（SiP）馬赫-澤恩德調制器（MZM）和微環(huán)諧振器調制器（MRM）因其集成潛力和低成本而頗具吸引力。然而，對于 200 Gbps 的 SiP 調制器來說，同時實現(xiàn)所需的帶寬、調制效率 (Vπ) 和低光損耗仍然是一項挑戰(zhàn)。

  薄膜鈮酸鋰（TFLN）調制器也在探索之中，能提供高帶寬和低驅動電壓，但成本較高，而且存在潛在的集成挑戰(zhàn)。

  3. 光/電協(xié)同設計

  隨著數據速率的提高，光學和電子組件的協(xié)同設計和共同優(yōu)化變得越來越重要。例如，接收器中光電二極管（PD）和跨阻抗放大器（TIA）之間的封裝互連對寬帶頻率響應有重大影響。優(yōu)化跡線阻抗和采用片上 T 型線圈等技術可以提高帶寬并減少反射。

  此外，最佳設計參數可能因 DSP 均衡的存在和功能而異。在沒有 DSP 均衡的情況下，最大限度地減少反射至關重要，而在有 DSP 均衡的情況下，保留一些殘余反射則有利于實現(xiàn)更好的整體性能。

  4. 光電共封裝器件 (CPO)

  為了應對芯片到模塊互連的挑戰(zhàn)，并實現(xiàn)更高的總帶寬，光電共封裝器件（CPO）解決方案正日益受到重視。通過將光學引擎與 ASIC 集成在同一封裝內，CPO 可以消除對復位時器的需求、降低功耗并減少延遲。不過，CPO 也帶來了一些挑戰(zhàn)，例如封裝內功率密度和熱管理的增加，以及創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)的潛在限制。

  超越 200 Gbps： 新興技術

  1. 并行性： 波分復用和 PSM

  為了使每個波長的傳輸速率超過 200 Gbps，目前正在探索波分復用（WDM）和并行單模（PSM）光纖架構等技術。波分復用技術是在單根光纖上復用多個波長，從而實現(xiàn)更高的綜合數據傳輸速率。緊湊型調制技術、低成本和低損耗的波長復用器/解復用器以及多波長激光源是實現(xiàn)波分復用技術的關鍵因素。

  2.高階調制格式

  提高波特率和采用高階調制格式（如 6-PAM 和 8-PAM）是實現(xiàn)每線路數據速率超過 200 Gbps 的潛在途徑。不過，這些方法需要在模擬帶寬、DSP 和編碼技術方面取得重大進展。

  3. 相干光通信

  相干光通信是一項在長途網絡中得到驗證的技術，目前正被用于數據中心內的短距離傳輸。通過利用雙偏振正交幅度調制（DP-QAM）等相干調制格式，相干鏈路在相同波特率下的數據傳輸速率是強度調制和直接檢測（IM/DD）鏈路的四倍。

  針對 10 千米以下的傳輸距離量身定制的輕型相干解決方案的最新發(fā)展已顯示出良好的效果。這些解決方案利用 O 波段（約 1310 nm）降低 DSP 功耗，同時保持短距離應用可接受的光纖損耗。此外，還在探索同步波特率采樣 DSP 架構，以進一步降低相干收發(fā)器的功耗和延遲。

  結論

  在人工智能和 ML 技術的推動下，數據消費持續(xù)增長，對現(xiàn)代數據中心的高速連接產生了前所未有的需求。為滿足這些需求，業(yè)界正在積極開發(fā)能夠支持超過 200 Gbps 數據傳輸速率的下一代有線收發(fā)器。

  200 Gbps 鏈路的關鍵技術和考慮因素包括先進的 DSP 技術、強大的 FEC 方案、光學和電子組件的協(xié)同設計以及對新光學調制格式的探索。此外，光電共封裝和相干光通信正在成為有前途的解決方案，以應對芯片到模塊互連的挑戰(zhàn)，并在數據中心內實現(xiàn)更高的數據傳輸速率。

  當我們將目光投向 200 Gbps 以上時，也正在積極研究波分復用技術、高階調制格式和短距離相干光通信等技術。包括模擬和數字設計、編碼理論、光學和系統(tǒng)架構在內的各學科間的合作，對于克服挑戰(zhàn)并實現(xiàn)未來人工智能和數據中心應用中的無縫數據流非常重要。

  參考文獻

  [1]T. C. Carusone, “The Impact of Industry Trends on 200+Gbps Wireline R&D,” in IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), 2024