資料中心高速傳輸需求推動CPO技術熱潮

作者 : Scott Durrant、Priyank Shukla、Mitch Heins、Jigesh Patel,新思科技(Synopsys Inc.)

本文將概述資料中心所使用的銅線與光學互連歷史,以及目前互連解決方案遭遇的極限,還有共同封裝光學元件的未來發展前景。

你知道開一場Zoom線上會議,每小時會使用到810MB~2.4GB的資料頻寬嗎?為增加你在家工作「生產力」而播放的音樂清單中,每首約3分鐘的曲子使用2MB+左右資料頻寬,也就是一個小時約40MB;還有你在家庭劇院透過Netflix平台串流播放的HD高解析度影片,大約佔據6GB資料頻寬,所有這些資料流量都要加在一起…而在過去幾年,被產生出來的資料量、被傳輸與被分析的資料量迅速增加(並因為新冠疫情期間有越來越多在家工作、學習的情況而加劇)。

這帶來了對更快速資料網路與裝置介面速度的劇烈需求;更高的資料傳輸速度讓資料介面對能源的需求增加,對資料傳輸延遲性的敏感度也更高。而因為資料中心網路交換器與其他設備需要降低功耗、提升頻寬密度,資料網路產業正轉向採用共同封裝光學元件(co-packaged optics,CPO)。本文將概述資料中心所使用的銅線與光學互連歷史,以及目前互連解決方案遭遇的極限,還有共同封裝光學元件的未來發展前景。

從銅線到光纖電纜

在連網應用中,銅因為具備高傳導性、廉價,以及延展性、耐熱性而佔據主導地位;基於這些理由,銅線一直被應用於資料網路,甚至是資料中心之間與都會區周邊的長距離傳輸。然而,隨著網路速度提升,在長距離銅線上可靠地傳輸驅動訊號的功率與頻寬需求也隨之增加,為此工程師們開始尋找更高效率的材料。於是在1990年代,長距離網路傳輸從銅線轉向採用光纖電纜,因為光纖能提供更低損耗的傳輸、更高頻寬,以及更低的能源需求。

光纖不只帶來以上優勢,隨著各種新技術導入,也讓網路基礎架構能更方便升級;這是因為光纖電纜利用可插拔光學模組,包括可用於雙向轉換光學訊號與電訊號的光學引擎(optical engine,OE)。這些可插拔模組提供了一種簡單、靈活的連結光線電纜與連網設備方法,只要把它們插進安裝在印刷電路板(PCB)上以及網路設備前面板的連接器。這類模組利用了模組與連網設備交換器/路由器ASIC之間的電氣介面。

而隨著資料網路速度持續提升至超過400Gbps,光纖本身已經無法滿足需求;甚至是從接近PCB中央的交換器ASIC,到網路設備前面板可插拔模組之間相對較短的距離,也必須要更大功率來驅動電子訊號。這成為越來越嚴重的問題,也是共同封裝光學元件可派上用場的地方。

什麼是共同封裝光學元件?

了解電-光轉換需要用電氣PHY重定時(retime)輸入的電訊號以及光學元件—例如雷射、調變器(modulator)與光電二極體(photodiodes) —以驅動光學訊號,是有幫助的。這些功能通常實現於不同的IC封裝元件並整合於PCB上,如圖1所示。

 

圖1:電-光轉換所需的功能元件。

 

而今日的先進技術提供了前所未有的小型化,使得在單一封裝中整合電子與光學元件成為可能,也實際可行;這種在單封裝中整合了電子與光電裸晶的解決方案,就叫做共同封裝光學元件,如圖2所示。

 

圖2:CPO就是在單封裝中整合電-光轉換所需電子與光學元件的解決方案。

 

未來新一代交換器ASIC需要達到51.2 TBps或更高速率,以支援800Gb等級甚至1.6Tb等級乙太網路;這些應用就需要CPO,讓資料能透過光來傳輸到交換器ASIC封裝。這能將光學引擎到交換器ASIC之間的電氣介面長度縮短到只有數毫米(millimeter),此外也能因應減少能源使用、以及降低從電訊號提取時脈與資料而導致的延遲的需求。

追根究柢,超大規模資料中心應用正在推動此新一波CPO設計浪潮,透過提供一種在提升頻寬容量同時維持機架單位(rack unit)功率恆定的方法,來因應所謂的「功耗牆」(power wall)與面板密度限制問題。

實現CPO的廣泛採用需要什麼?

儘管以上提到的所有應用前景看好,在產業界於資料中心廣泛採用CPO之前,仍有數個有待克服的障礙。舉例來說,因為CPO需要矽晶片靠近矽光子(photonics),傳統的面板可插拔光學元件設計規則就不再適用,當前三大廣泛CPO應用—乙太網路交換器、機器學習與解構式網路(disaggregation) —需要的設計權衡與可維護性(serviceability)考量完全不同,產業專家仍在爭論應該要採用哪些設計規則與介面規格。

成本是另一個具挑戰性的因素,CPO的價格需要降低到能與預計2024年可達每Gb成本0.6美元的400G-DR4規格光學元件相互競爭。不過可以放心的是,因為CPO不需要使用重定時器以及時脈資料回復(clock-and-data-recovery,CDR)晶片,也不需要昂貴的超低損耗PCB材料與外殼硬體,可望節省大量成本。

而雖然有這些障礙,顯然CPO是邁向整合光-電資料介面的重要一步。目前產業組織如Co-Packaged Optics Collaboration以及Optical Interconnect Forum (OIF)正扮演主導角色,彙整協調包括新思科技(Synopsys)在內的產業領導廠商意見,以定義CPO規格並推動其他工作,像是:

  • 電子與光學元件之間的通道標準化
  • 讓電子與光學元件能更有效、可靠通訊的介面標準化
  • 用於開發並驗證電子與光子IC的設計工具

新思科技可提供的OptoCompiler是一種支援電子與光子IC設計、佈線、模擬與驗證的整合式平台,能讓設計工程師繪製設計電路圖,並選擇領域特定(domain-specific)電路模擬器與DesignWare IP,分析電子/光學介面通道與CDR的性能。隨著上述標準不斷演進以及對CPO的需求提升,新思科技也會持續更新工具與IP,協助客戶高效率地轉移至CPO以及所有透過單封裝電-光整合解決方案可實現的創新。

本文轉載自新思科技部落格並同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年8月號

編譯:Judith Cheng

 

 

 

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