从100G到400G，数据中心通信需要怎样的“芯”力量？

2019-01-07 15:08

“网络”，对于大部分当代人来说已经成为了“必需品”。大家也常有对于这一现象的调侃，比如以下这个“被与时俱进”的马斯洛需求层次理论：

这样便利的网络时代之所以能够到来，“光纤通信技术”可谓是功不可没。

1966年，英籍华人高琨提出了光导纤维的概念，在全世界范围内掀起了发展光纤通信的高潮。1978年工作于0.8μm的第一代光波系统被正式投入商业应用，而早期采用多模光纤的第二代光波通信系统，也很快在20世纪80年代初问世。到1990年，工作于2.4Gb／s，1.55μm的第三代光波系统，则已能提供商业通信业务了。

从100G到400G，数据中心通信需要怎样的“芯”力量？

“光纤之父”高琨，因在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”做出了突破性贡献，其被授予了2009年的诺贝尔物理学奖。

光纤通信如今已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。也被看作是世界新技术革命的重要标志，以及未来信息社会中各种信息的主要传送工具。

近年来，大数据、云计算、5G、物联网以及人工智能等应用市场快速发展，将要来临的无人驾驶应用市场，给数据流量带来了爆炸性增长，数据中心互联逐渐发展成为光通信的研究热点。

从100G到400G，数据中心通信需要怎样的“芯”力量？

谷歌大型数据中心内部

目前的数据中心已不再仅仅是一座或几座机房，而是一组数据中心集群。为实现各种互联网业务和应用市场的正常工作，要求数据中心之间协同运转。数据中心之间信息实时海量交互，这就产生了数据中心互联网络需求，光纤通信则成为了实现互联的必要手段。

与传统的电信接入网传输设备不同，数据中心互联需要实现信息量更大、更密集的传输，就要求交换设备拥有更高速率、更低功耗，以及更加小型化。而决定这些性能是否能够实现的一个核心因素，则是其中的光收发模块。

关于光收发模块的一些基础知识

信息网络主要以光纤作为传输介质，但目前计算、分析还必须基于电信号，光收发模块是实现光电转换的核心器件。

光模块的核心组件由Transimitter（光发射次模块）／Receiver（光接收次模块）或Transceiver（光收发一体模块）、电芯片，另外还包括透镜、分路器、合束器等无源器件及外围电路组成。

在发射端：电信号通过Transimitter转换为光信号，再由光适配器输入到光纤；在接收端：光纤中的光信号通过光适配器被Receiver接收并转变成电信号，并输送到计算单元进行处理。

从100G到400G，数据中心通信需要怎样的“芯”力量？

光收发模块示意图

伴随着光电集成技术的发展，光收发模块的封装形式也经历了一些变化。在光模块行业成型之前，早期由各大电信设备制造商各自开发，接口五花八门，不能通用，这样导致光收发模块不能互换。为了行业的发展，最终“多源协议（MSA，Multi Source Agreement）”应运而生。有了MSA标准之后，独立专注于开发Transceiver的公司开始崭露头角，随之行业兴起。

光收发模块按封装形式可分为SFP、XFP、QSFP、CFP 等：

· SFP（Small Form－factor Pluggable）是一种紧凑型、可插拔的收发器模块标准，用于电信和数据通信应用，最高可支持10Gbps传输速率。

· XFP（10 Gigabit Small Form Factor Pluggable）是10G速率的小型可插拔收发器模块标准，支持多种通信协议，如10G以太网、10G光纤通道和SONETOC－192。XFP收发器可用于数据通信和电信市场，并提供比其他10Gbps 收发器更好的功耗特性。

· QSFP（Quad Small Form－factor Pluggable）是一种紧凑型、可插拔的收发器标准，主要用于高速数据通信应用。根据速度可将QSFP 分为4×1G QSFP、4×10GQSFP＋、4×25G QSFP28光模块等。目前QSFP28已广泛应用于全球数据中心。

· CFP（Centum gigabits Form Pluggable）是基于标准化的密集波分光通信模块，传输速率可达100－400Gbps。CFP模块的尺寸比SFP／XFP／QSFP更大，一般用于城域网等长距离传输。

应用于数据中心通信的光收发模块

数据中心通信可按照连接类型分为三类：

（1）数据中心到用户，由访问云端进行浏览网页、收发电子邮件和视频流等终端用户行为产生；

（2）数据中心互联，主要用于数据复制、软件和系统升级；

（3）数据中心内部，主要用于信息的存储、生成和挖掘。根据思科预测，数据中心内部通信占数据中心通信70％以上的比例，数据中心建设的大发展，也就催生了高速光模块的发展。

数据流量持续增长，数据中心大型化、扁平化趋势推动光模块向两方面发展：

· 传输速率需求提升