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数据中心光模块的需求和发展趋势

华工正源技术总监周秋桂发表《数据中心光模块的需求和发展趋势》的主题演讲,分享了数据中心市场概况、数据中心光模块演进和数据中心硅光技术展望。

周总认为,数据中心市场的建设积极推动光模块产品的迭代,800G及以上速率的模块或在2025年之后成为市场主力;而硅光模块迎来大发展已经成为业界共识,尽管光模块的形态可能从可插拔,发展到板载和CPO等,但硅光技术都能提供一个很好的技术平台。

一、数据中心市场概况
据Synergy Research最新数据,截止 2020 年底,全球 20 家主要云和互联网服务公司运营的大型数据中心总数已增至 597 个。全球17个国家开设了数据中心,其中新增数据中心最多的是美国、韩国、中国等。国际市场上超大规模数据中心市场,亚马逊、微软和谷歌总合计超过50%。其中亚马逊和谷歌势头尤其猛,新开设的数据中心占 2020 年全球新增数据中心的一半。

中国数据中心建设已经驶入快车道,2020 年,中国大陆开建数据中心数量达到104个,其中中国移动开建项目最多。除了三大运营商和BAT之外,参与数据中心建设的第三方服务商、金融/政府机构等有近50家。

数据中心的建设带来数通光模块的大规模需求,根据Omdia预测,在未来5年内,应用于数通市场的光模块占比将从目前的40%左右进一步提高到60%。

数通光模块的年销售额,预计从2020年接近30亿美元,快速增长至2026年超过75亿美元,年复合增长率达到20%。从模块的速率来看,100G将慢慢退出,让位给200G和400G模块,尤其是400G模块。800G也会逐渐开始上量。同时,数据中心中铜缆直连和有源光缆市场也会有所增长,400G市场尤其值得期待。

25G serdes基本上对应的100G光模块,2016年开始上量,有超过10年的产品周期寿命。而400G光模块2019年开始发货,2020年开始上量,但是到2025年其出货量可能就会大幅下降,800G及以上速率的模块将快速成为市场绝对主力。

整体来讲,光模块数据中心市场的客户在速率与成本的追求是比传统电信市场客户更加激进的,作为光模块供应商,华工正源也会对应的加大新技术投入的力度来迎接这个市场的发展趋势。

二、数据中心光模块演进
数据中心的数据流主要是发生在同一个数据中心的服务器之间,也就是我们说的“东西向数据流”,这部分数据流占了数据中心总数据流的四分之三,所以数通市场需要大量的中短距离通信模块。Serdes通道数的增加,对应光通道数也是相应的增加,所以光模块的集成度是需要不断的提高的。

整体来讲,40G以下,单通道模块是主流,40G到100G再到200G,模块大体经历的是前期4通道为主,后期实现单通道产品。但到了400G、800G,预计前期是8通道,后续发展成为4通道,在非相干的直调直检领域,单通道产品形态比较难。1.6T也会是同样的趋势。而到了3.2T,可能是16通道导入,8通道形成最终形态。通道数增加,对应模块集成度的提高,这是一个比较明显的发展趋势。

数通市场的发展也会带动以ZR为代表的相干模块的发展。相干技术已成为100Gps、200Gbps以及400Gbps长距离传输的标准技术方案,从传输市场,到城域网与数据中心间高速互联DCI,相干技术市场是快速推进的。相干模块发货量预期接下来5年内预期会有5倍左右的增长,相干模块出货数量不是非常高,但单价高,接下来几年可插拔光模块也是数通市场光模块的一个重要增长点。

面对数据中心市场的需求,特别是集成度越来越高的要求,选择的一个重要技术方向是硅光。硅光技术有着高速、高可靠性等优势,硅光正在成为相干光模块的主流技术。所以,基于硅光技术的光模块迎来大发展已经成为行业共识。

三、数据中心硅光技术展望
如果考虑光纤体积、光纤数量在高速数通市场布局中越来越复杂,共封装CPO新技术可能会来的更早。

当前,更多的同仁开始关注空间复用,包括多芯、少模光纤等新型技术再采用PLC耦合分光方案,但如果采用硅光技术,可以在对应的各个光芯片的端面放置一个光栅耦合器,多路光信号就很方便地进入了硅光芯片内部,而少模波导的解复硅光芯片尺寸也可以控制的更小。

除了光电接口的优化,硅光芯片的片上集成技术发展也为下一代光模块提供一些很好的思路。比如硅是一种非常理想的APD倍增层材料,高性能高速锗硅APD在10年前就有很好的试验验证结果。用硅光APD做接收端,集成度提高降低元件尺寸是只一个方面,控制总功耗,防止芯片或系统过热也至关重要。当然数通短距是否能接受APD方案,成本也许会是问题。但是华工正源非常看好硅光APD技术在包括高速接入等各种场景的应用前景。

硅光还可以考虑SOA的异质集成。比如这个2xFR4或2xLR4方案,通过收端集成2个SOA可以大幅度提高收端灵敏度。与相干相比,用硅光SOA异质集成方案可以在DSP上大幅度节省成本和功耗。

在发射端,目前大家用的基本上都是MZM调制,则可以通过微环调制器大幅度提高芯片集成度,缩小尺寸。此外,发射端调制器可以通过引入新材料,比如薄膜铌酸锂调制器、锗硅或磷化铟光电吸收调制器来提高性能,减少器件尺寸,降低功耗,提高硅光芯片集成度。

从以上技术趋势来看,虽然硅光PIC存在波长限制这个尺寸极限(目前的集成度离波长极限还有2-3个数量级),按照当前 “光电芯片摩尔定律”的速度,靠硅光技术还可以持续20-30年。尽管光模块的形态可能从可插拔,发展到板载和CPO等,但硅光技术都能提供一个很好的技术平台。

周总介绍说,华工正源拥有硅光设计、封测能力,华工科技集团战略投入,开发低成本、高性能光芯片/光器件/光模块的无缝连接,期待未来联手国内代工厂,积极开发制程国有化。