中国信通院赵文玉:硅光在通信和计算领域的应用探析

8月15日消息(南山)硅光,是业界探讨的经久不息的话题之一。近年来,随着网络带宽高速增长,其应用潜力得到进一步挖掘,思科、英特尔等巨头进行了深度布局。市场调研机构Yole今年发布的一份报告称,到2025年,硅光市场规模将达到39亿美元。

在日前举办的2022中国光网络大会上,中国信通院技术与标准研究所宽带网络研究部主任赵文玉发表演讲,对硅光在通信和计算领域的应用进行了全面探析。

通信领域:新型应用拉动硅光快速发展

通信领域主要分为数据中心和电信。赵文玉介绍,在数据中心市场,硅光在100G短距离和400G及以上高速应用具有明显优势。

其中,100G短距方向,硅光PSM4方案可大幅节约器件和组装成本。在500m数据中心互联的100G QSFP28 PSM4光模块产品市场,硅光混合集成方案份额超过传统分立器件方案,目前已达到近80%。不过100G SR4、ER4/LR4、CWDM4等仍主要分别采用VCSEL、EML、DML方案。

400G及以上速率方向,400G DR4已经步入商用,硅光尚未在成本和功耗方面对传统方案形成有效优势,但技术和投资热情较高。8×100G硅光方案如果成品率进一步提升,有望在100m及以下与多模技术展开竞争以及在500m部分取代EML成为主流。预计4×200Gb/s CPO将以硅光方案为主。

数据中心内部流量快速增长,交换机容量、端口密度、功耗等均面临挑战,CPO成为绿色数据中心重要发展方向。相较于传统可插拔方案,CPO带宽密度提升一个数量级,能量效率优化40%以上。

CPO的潜在切入点是spine-leaf结构中的交换机,因为这些交换机在其所有下行链路上都需要单模光学器件,并且可以完全部署光学器件。能够提供4到8个400GBASE-DR4和FR4链路的光引擎,将是与51.2T交换机结合使用的CPO的理想目标。而spine上行链路可能需要相干光学,这将推动CPO和可插拔光学混合型的交换机架构。

据介绍,英特尔预计从可插拔向CPO的转变将在未来5年内发生,用来支持新的51.2Tbps交换节点。此外博通2021年1月发布系列支持CPO技术的下一代交换ASIC芯片概念。首款25.6Tb Humboldt芯片预计在2022年年底推出,51.2Tbps芯片Bailly则在一年后发布。

在电信市场,相干调制以及合分波器件的高度集成化,透镜等分立元件数大量减少,同时可采用非气密BGA接口,封装尺寸小,成本低。硅光集成芯片规模商用,有望使相干技术降低成本进而下沉到核心与汇聚层。

电信领域的典型硅光产品,如Acacia在今年OFC推出的新的100G/200G CFP2-DCO ZR,以及下一代低功率100G CFP-DCO ZR,采用专有DSP和硅光技术的低功耗高集成设计,满足网络接入、边缘和企业园区应用容量增长需求。

中国信通院重视硅光集成技术发展,已经成立了5G光电子公共服务平台,平台依托工信部产业技术基础公共服务平台国家专项,助推硅光市场体系化发展。

计算领域:硅光互连硅光计算崭露头角

在计算领域,硅光可用于光互连。传统服务器架构面临分解,包括通用/专用计算、AI/ML、HPC和数据存储在内的各资源池相互解耦,并通过高达Pb/s接口连接,互连开始主导成本和功耗,这为集成硅光I/O创造了巨大驱动力。

赵文玉介绍,超过112Gb/s的SerDes极具挑战,因为板级铜互连损耗使得传输距离难以超过几厘米,带宽与距离矛盾严重,需要进行平衡。集成光学器件或可解决这一问题,处理器到存储器之间建立高速光连接,并可利用多种复用方式进一步提升带宽,目前相关方案已得到初步应用。

再就是硅光经典计算。光计算是利用光的物理性质进行大容量信息处理的光学运算技术,具备低延迟、高带宽、低能耗等固有优势。广义的光计算是将光作为计算系统的组成部分,狭义的光计算是指在光域实现信息处理和逻辑运算。

受限于分立光计算系统体积大、兼容性差等问题,光计算核心器件趋向于集成化、小型化方向发展,满足光计算发展需求。硅基光电子因其发展相对成熟、器件种类丰富、工艺兼容等优势,成为集成光计算系统的主要技术。

光经典计算目前产业规模较小,欧美有五家较为典型的初创企业将高校研究成果转化,形成以光计算为核心的主营业务。 其中Lightmatter采用硅光方案。随着应用需求和产业生态的逐渐完善,预计光计算可初步实现相对电计算的性能和成本优势,在部分专用市场中形成产品竞争力。

国内已涌现出曦智科技、光子算数等行业领先企业。从时间线上看,我国硅光计算产业从研发、测试到推出产品等环节,时间线几乎与国际时间持平。部分芯片设计、加工、测试等全流程均可在国内完成。

硅光经典计算目前产业发展仍然处于早期阶段,商用产品非常有限。不过科研与市场活跃度呈现增长趋势,未来将有更多企业和科研机构加入。

此外还有硅光量子计算。光量子计算使用光子来编码量子比特,以光子的偏振自由度、角动量等作为量子比特的变化量测对象,利用集成光量子芯片来实现量子纠缠光源、量子纠缠门、量子比特测量的功能集成,实现对光量子信息的高效处理、计算和传输等功能;量子漫步、检索、分子模拟和组合优化等应用问题。目前已经被认为是实现量子计算的重要路径之一。

光量子计算产业的发展取决于光量子态制备、光量子态的操纵、光量子探测,以及器件制作材料、工艺等一系列科学问题的研究进展。与硅光经典计算相似,目前处于早期阶段,科研与市场活跃度呈现增长趋势。

赵文玉最后总结,硅光产品应用领域和参与厂商众多,其中通信和计算为近年来讨论热点。数据中心特点适合硅光大量应用,CPO技术崛起,光子集成趋势显著。而在计算领域,硅光计算是使后摩尔时代计算技术突破传统微电子计算极限的实际可行方案,随着硅基光电子技术的不断成熟,光电一体融合是必然的趋势。

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