光互连，助力数据中心

随着人工智能将数据中心的处理和网络能力推向极限，光互连技术正在加紧步伐，以实现人工智能的扩展和横向扩展网络。

博通公司（Broadcom）近日宣布推出其第三代200G/通道共封装光学（CPO）产品线，该产品线基于自2021年以来一直专注的CPO技术，其首款产品是Tomahawk 4-Humboldt芯片组。博通光学系统部门营销和运营副总裁马尼什·梅塔（Manish Mehta）在接受采访时表示，其目标是提供功耗最低的光学互连产品。

博通的光学系统部门部分是通过收购建立起来的，其中包括安华高（Avago）的光纤产品部门，该部门一直在开发基于多模激光器的光收发器。梅塔表示，博通在过去五年中一直投资于其CPO平台，该平台利用了几十年来的激光技术发展。

他说，在人工智能热潮之前，多模光收发器主要用于企业数据中心，以支持云计算的增长。“这项业务的重点已真正转向构建用于人工智能网络的光学元件和激光技术。”

梅塔表示，由于人工智能，光学带宽需求发生了巨大变化。在前端，每个CPU解析查询时都有分布式工作负载，而在后端，数千个GPU正在处理训练任务。他说，光互连一直都是高性能计算所必需的，但数量并不大。“一旦人工智能、推荐引擎和大型语言模型（LLMs）开始将其用于训练网络，它就真正爆发了。”

大型人工智能集群和网络的高覆盖要求正在推动对更好光学解决方案的需求。梅塔表示，通过其CPO平台，博通正在将传统上用于收发器的光学内容集成到密度更高的硅化设备中。“然后我们将其非常、非常靠近核心ASIC。”

梅塔表示，这种集成降低了成本，并消除了消耗大量电力的电路和数字信号处理功能。“通过将光互连直接共封装在同一基板上，您可以消除许多此类功能，从而降低功耗。”

尽管博通正在避免可插拔方式，但根据研究公司LightCounting的数据，数据中心市场的可插拔光学器件正在经历显著增长，预计在2025-2030年期间将以23%的复合年增长率增长，超过240亿美元，而基于硅光子（SiPho）调制器的收发器市场份额将从2024年的30%增加到2030年的60%。

今年早些时候，意法半导体（STMicroelectronics）推出了其下一代专有技术，用于数据中心和人工智能集群中更高性能的光学互连，其中包含该公司专有SiPho技术的收发器光学芯片。在一次简报中，该公司射频和光通信集团副总裁文森特·弗莱斯（Vincent Fraisse）表示，SiPho使客户能够将多个复杂组件集成到单个芯片中。

意法半导体正在将SiPho与其BiCMOS技术相结合，带来超高速和更低功耗的连接，弗莱斯表示，这对于维持人工智能增长至关重要。“超大规模公司的挑战是优化每单位计算的能耗。”他说，公司相信一个加速人工智能基础设施的新时代，所有元素都通过光学连接或互连。

与博通一样，意法半导体也在寻求解决人工智能环境的覆盖要求，弗莱斯表示，SiPho提供更高的性能，允许更长的范围和更高的速度，每通道200G，同时还降低了功耗。

弗莱斯预计SiPho将在未来几年占据收发器市场的大部分份额。“行业中有一个明显的趋势，即用光连接替换机架背面的铜缆，并将其高度密集化，使其符合GPU的物理尺寸，”他说。

第三种选择

除了光互连及传统的铜缆之外，数据中心还有第三种选择：e-Tube，这是一个可扩展的多太比特互连平台，通过塑料介质波导传输射频数据。

有源射频电缆 (ARC) 采用e-Tube技术，集成毫米波射频发射器，将电域的太比特数据上变频至射频域。天线辐射无线信号，并通过e-Tube核心进行传播。

在另一端，互补的毫米波射频接收器和天线接收无线信号并将其转换回电信号。对于通过ARC连接的两个系统而言，该互连如同一个电系统。ARC责管理电信号到射频以及射频到电信号的转换，使转换过程对两个连接的系统透明。 

e-Tube线缆采用常见的低密度聚乙烯(LDPE) 材料制成，不会像铜线那样受到高频损耗的影响，使其成为一种可扩展的互连方案，可用于56G至224G及更高的任何数据速度。用于数据传输的低功耗射频发射器和接收器IC实现了业界最佳的3pj/bit能效，且延迟仅为皮秒级。

其结果是，电缆的覆盖范围比铜缆高出10倍，重量减轻5倍，厚度减少2倍，功耗降低3倍，延迟降低1,000倍，成本降低3倍。e-Tube满足了铜缆和光纤互连技术无法实现的带宽需求。随着数据中心向1.6T和3.2T速度过渡，它是机架内和相邻机架连接的理想铜缆替代品。 

为了加速部署，这项创新的互连技术e-Tube RF SoC采用成熟、标准的半导体工艺技术和成熟的IC封装技术制造。数十年来，连接器和线缆的“连接化”一直采用铜双轴制造技术进行量产。线缆设计符合行业定义的 MSA 封装规格，例如OSFP和QSFP-DD。这为不同的系统设计提供了灵活性，因为它有助于确保与不同制造商的现有网络基础设施设备的兼容性。