数据中心互连技术的革命

随着人工智能、云计算和5G技术的迅猛发展，全球数据流量正以指数级增长。据IDC预测，到2025年，全球数据总量将突破175ZB，而数据中心的带宽需求每两年翻一番。在这一背景下，传统铜互连技术已逐渐逼近其物理极限——在224Gbps速率下，铜缆的有效传输距离仅剩1米，且功耗和信号完整性成为难以逾越的障碍。与此同时，光互连技术凭借其高带宽、低损耗和长距离传输优势，正从数据中心边缘向核心渗透，而SerDes IP与线性驱动光学的创新结合，正在加速这一转型进程。

铜互连的带宽困局

据LightCounting预测，2023-2027年光模块市场年复合增长率将达14%，其中224G及以上速率模块占比将突破60%。

从铜到光的转变受到多项关键性能指标的影响。历史上，前端以太网连接主要采用光解决方案，而数据中心内部的扩展则依赖铜互连。然而，铜互连的传输距离正在迅速缩短。在112 Gbps速率下，铜背板电缆的传输距离约为2.5米；当数据速率提升至224 Gbps时，这一距离缩短至约1米。

为应对这些限制，目前主要有三种解决方案：  

- 直连铜缆（DAC）  

- 有源电气电缆（AEC）  

- 有源光缆（AOC）  

尽管DAC和AEC等铜解决方案在短距离高速连接中仍占主导地位，但光互连无疑是未来扩展的方向，因其能够支持更长的传输距离和更高的带宽。

延迟之争  

延迟是光互连部署中的关键因素。尽管光互连在传输距离和带宽上具有显著优势，但与铜解决方案相比，其延迟更高。这种增加的延迟主要源于光传输中使用的里德-所罗门（RS）效应和汉明纠错技术。

在高速数据传输场景中，如对延迟高度敏感的加载和存储操作，铜互连仍是首选。铜互连的低延迟特性使其非常适合这些关键应用。而扩展操作（如数据分区和分发）对延迟不敏感，因此越来越多地采用光解决方案。

能效博弈 

功耗是铜与光互连对比中的另一重要考量。有源光模块的功耗通常是有源铜模块的2.5至4倍。这种差异源于光传输所需的额外组件，如激光驱动器和跨阻放大器（TIA）。

尽管功耗较高，但光互连的需求仍在增长，因其能够支持更高的数据速率和更长的距离。开发更节能的光组件是当前的研究重点，旨在缩小铜与光解决方案之间的功耗差距。

图1：线性驱动光学的节能对比

来源：[OFC 2023：为AI工作负载革新网络 - 以太网联盟])

线性光接口的兴起  

自2010年代初以来，线性光接口（尤其是10 Gbps速率）一直是讨论的话题，但直到最近才得到广泛应用。数据速率的提升和传统重定时接口的局限性重新激发了人们对线性直接驱动光学的兴趣。

图2：利用主机（交换机）电气SerDes补偿光学损伤

在传统的重定时接口中，DSP芯片用于驱动光学组件，这增加了复杂性和延迟。线性驱动光学消除了对中间DSP组件的需求，这些组件通常用于在信号通过光纤传输前进行重定时和均衡。通过将这些功能直接集成到主机芯片的SerDes中，线性驱动光学简化了传输路径，降低了延迟和功耗。

线性驱动光学的主要优势是其能够以更低的复杂度处理高数据速率。在112 Gbps速率下，线性驱动光学可以直接与光学组件接口，提供清晰高效的信号路径。这种直接接口是通过在SerDes中集成先进的模拟和混合信号设计技术实现的，使其能够以高保真度驱动光学调制器和检测信号。

随着数据速率提升至224 Gbps，行业正在探索一种混合方法。更高的奈奎斯特频率在光学域中引入了非线性，需要额外的组件来保证信号完整性。结合自动增益控制（AGC）和时钟数据恢复（CDR）芯片的混合模型正在成为应对这些挑战的可行方案。

UCIe如何重塑CPO架构？  

近年来，关于共封装光学（CPO）的讨论日益增多。CPO将光学组件直接集成到主机芯片中，缩短了电气与光学接口之间的距离，从而提升性能。

通用小芯片互连标准（UCIe）在CPO系统的开发中发挥了关键作用。UCIe支持多芯片系统中的芯片间通信，实现高密度、高速连接。目前CPO主要有两种实现方式：  

- 串行PHY直接/线性光学驱动：UCIe用于主机芯片内的芯片间通信，随后通过包含SerDes和光学组件的I/O芯片进行接口。这种方法支持更长距离，但因额外的SerDes而带来更高的延迟和功耗。  

图3：CPO用例：更长距离但更高延迟和功耗（pJ/b），以及更低的Gb/s/mm

- 并行PHY直接/线性光学驱动：这种方法省去了SerDes，使用UCIe直接连接主机芯片与集成硅光子组件的I/O芯片。其支持更短距离、更低延迟和更高能效，但需要先进的光复用技术（如粗波分复用CWDM）以实现有效的光纤管理。  

图4：CPO用例：更短距离但更低延迟和功耗（pJ/b），以及更高的Gb/s/mm

线性驱动光学与混合信号技术的协同进化 

从铜到光的转变不仅仅是介质的替换，还需要全面的方法确保新光学系统能够满足性能需求并解决固有挑战。线性驱动光学是这一转变中的关键创新，提供了高效的光数据传输方式。

随着数据速率提升至224 Gbps及以上，线性驱动光学的挑战变得更加显著。更高的奈奎斯特频率加剧了信号完整性问题（如非线性和损耗），可能降低光学链路的性能。

为应对这些挑战，行业正在开发一种半重定时的混合方法。该方法结合了线性驱动光学的优势与额外的信号调节组件（如AGC和CDR芯片），以减轻非线性和损耗的影响，确保光信号在长距离传输中保持完整性。

图5：半重定时线性光接口变体

224G线性光互连的产业化破局  

Synopsys近期展示了PCIe 7.0和224 Gbps线性驱动光学解决方案 ，凸显了这些技术的实际应用。这些演示展示了无源组件、线性放大器和调制激光器的集成，证明了线性光接口在下一代数据中心中的可行性。

高速互连的未来在于光学技术的持续演进。随着行业向更高数据速率和更复杂系统架构迈进，光解决方案的采用将日益普及。开发高能效、低延迟的光组件对于应对现代数据中心扩展的挑战至关重要。

总结  

从铜到光的转变由对更高带宽、更长距离和更优性能的需求驱动。尽管铜在延迟敏感型应用中仍占一席之地，但光互连将在扩展场景中占据主导地位。线性光接口的兴起以及超以太网和UCIe等标准的采用，为下一代高速数据传输解决方案铺平了道路。光学技术的持续进步将在塑造数据中心连接未来中发挥关键作用，实现前所未有的高速数据无缝高效传输。

224G SerDes IP与线性驱动光学的协同创新，正在改写数据中心互连的规则。随着PCIe 7.0和CPO技术的商用落地，光互连将不再仅是“替代选项”，而是支撑ZB时代算力网络的基石。这一转型不仅需要技术进步，更需要产业链从芯片、封装到光纤网络的全面协作——而这场变革的终点，将是“光进铜退”的终极实现。