硅光技术的最新进展

不知道算不算巧合，在今年初的时候，Intel在其实验室里展示了应用硅光技术实现光电共封装的首款交换芯片Tofino 2。然后在2020年即将结束的时候，在Intel Labs Day上又再一次回归到了硅光这个话题。

         Intel在硅光技术方面的投入已经有相当长的一段时间了。在Labs Day 2020上，Intel回顾了其在2005年时对硅光技术的看法。在2004年拜访Intel总部的时候，在园区一楼的Intel Museum里，笔者就曾看到过展出的硅光产品。

2005年时Intel对硅光技术的看法

         人们对于硅光技术的痴迷并不是没有道理的。在短距离传输场合，使用基于电信号的IO传输信号在功率和成本上都具有优势。但在100米以上的传输距离场合，比如数据中心机架和机架之间、数据中心和数据中心之间，只能使用信号损耗更小的光信号。

信号传输的不同场景

而且，随着信号速率每隔3～4年提升一倍，电信号能够传输的距离在逐渐减小，铜退光进的现象在数据中心领域变得越来越明显。以无源的DAC电缆为例，在10Gbps速率时代最长可以传输7m的距离，在25Gbps速率时代缩减到最长5m的距离，到了56Gbps速率时代则是更进一步缩减到3m的传输距离。对于即将到来的112Gbps速率时代，IEEE规定的DAC电缆的最大互联长度已经变为2m了。于是，有越来越多的机架内部互联要用上多模光纤。

电气信号传输距离的限制

         虽然基于成本上的考虑人们还在尽量延续电信号传输的寿命，但由于芯片封装和工艺制程能力不可能无限提升，IO速率不断提升导致的功耗增加最终会触碰到芯片封装的功率墙。因此，通过硅光技术降低IO功耗是势在必行的措施。

电气IO在功耗方面的限制

         相比于传统的光电技术，硅光技术需要在硅片上集成CMOS电路、光源、光电检测器、光收发器等多个部件，对于制造加工能力有相当高的要求。Intel在其销售的QSFP等光模块中已经在应用硅光技术，在2019年底的时候其硅光光模块累计销售了300万支，到2020年底的时候，这个数字已经超过了400万支。

硅光技术需要集成的部件

         除了硅光光模块之外，Intel还将硅光技术应用到了交换芯片上，制造了光电共封装的Tofino 2交换芯片。由于交换芯片上通常都具有大量的IO端口，因此这是硅光技术未来要进行重点突破的一个关键领域。相比于CPU和GPU，使用硅光技术的交换芯片会更早地得到商业应用。

         除了在芯片上的应用之外，光传输技术还可以应用到传统的PCB上，用于替代现有的铜导线信号传输。关于光背板，在全光背板互联时代不远了吗？一文中曾经做过深入的探讨。

PCB上的光传输通道

         在Intel Labs Day 2020的演讲中，Intel展示了在其硅光实验室中正在进行的CMOS电路和光器件之间联接的最新进展。

Intel硅光实验室一览

         通过使用3D封装技术，Intel将可以产生112Gbps PAM4信号的CMOS电路与光发送模块集成在一起。

Intel 3D集成的112G PAM4光发送模块

         Intel也给出了112G PAM4硅光发送模块的实物图片，在图片上CMOS电路、激光源、光放大器等部件都用框图明显地标识了出来。

Intel 112G PAM4硅光发送模块实物

         从设计上来说，开发出光电混合的112Gbps信号模块，甚至是下一代224Gbps速率的信号模块都是可能的。但能否在较高良率的情况下将其制造出来，是现阶段最大的难点。由于Intel在硅光领域有着十多年的技术积累，因此Intel在这一领域一直处于业界领先水平。

总 结

虽然业界普遍非常关注硅光技术， Intel也已经开发出了基于硅光技术的交换芯片原型，并且还在硅光光模块方面取得了一定的出货量，但硅光技术在整个业界的成熟商用至少还需要5年左右的时间。除了Intel之外，Broadcom和Marvell等厂家也在积极地研发基于硅光技术的芯片。不久前Marvell收购了Inphi，进一步增强其光互联的能力。可以预计，这些厂家将会是第一批推出硅光交换芯片的厂家。

         在服务器领域，虽然PCIe信号的速率在快速地提升，但即使到了PCIe Gen6的64GT/s速率，仍然可以通过使用更多的电缆和Retimer的方式来实现信号互联，短期内还用不到硅光技术。但为了应对AI、5G等新一代负载应用的需求，PCIe信号速率显然并不会止步于Gen6的64GT/s PAM4。在PCIe 6.0规范及之后的技术展望一文里，我们可以看到PCI-SIG组织已经在规划PCIe Gen7和Gen8的规范，届时PCIe信号速率将会提升到128Gbps及以上。到那个时候，恐怕服务器里也要用上硅光技术了。

在芯片厂家之外，如Facebook这样的大型互联网厂家其实一直在紧密盯着硅光技术的最新进展。对他们而言，一旦硅光技术达到大批量实用阶段，他们一定会是第一批的尝鲜者。无论如何，硅光都将会是在接下来的十年里改变基础设施架构的重要技术之一。