数据中心内的光模块: 支撑日益增长的性能需求

海枯石烂

海枯石烂

2020-06-30

Bill Gartner思科资深副总裁、光模块事业部总经理可插拔式光模块(亦称为光收发器)现已广泛应用于数据中心、校园、企业或服务供应商的总部。

思科全球云指数预计,截至 2021 年,每年的数据中心总流量(数据中心内部或流出数据中心的所有流量)将达到近 20 Z 字节,而这一数字在 2016 年还仅为 7 Z 字节。全球范围内的数据中心流量将以 25% 的年复合增长率迅猛增长,云数据中心流量的年复合增长率则会高达 27%。从 2016 到 2021 年,增长幅度达 3.3 倍。

数据来源:2016 - 2021 年的思科全球云指数促进流量增长的是连接速率的不断增长,正如我们所看到的一样,连接速率从 10G 发展到 40G,再到 100G 以及现在的 400G。现在,100G 可插拔光模块被部署到大规模数据中心应用中,向 400G 的升级正处于规划之中,因为路由器/交换机端口现已支持 400G。

“数据中心内”的流量增长加速了市场对新一代网络设备的需求,市场需要这些设备来支持更高的端口密度和更快的转发速度。这些设备反过来又会促进市场大规模部署高速光模块,来连接网络设备的各个分层。

随着路由器/交换机端口速率提升,每比特成本现已因芯片的进步(ASIC)而稳步下降,我们在这方面会继续得益于摩尔定律。然而,虽然可插拔光模块的每比特成本也已经下降,但是还没有像路由器/交换机成本下降得那样快。

结果,随着比特率增长,可插拔光模块在硬件总成本中占到了较大比例。例如,在 10G 速率下,光模块约占数据中心网络硬件总成本的 10%。当我们升级至 400G 时,光模块占硬件总成本的 50% 以上。随着光模块速率增长,可插拔光模块的设计和制造复杂度也随之增长。起初速率为 100G,这导致可插拔光模块在可用性方面滞后于路由器/交换机 ASIC,大体上延误了为满足更高带宽需求而进行的网络速率升级。

数据中心未来趋势与推动路由器和交换机发展的 ASIC 性能有关。ASIC 性能将继续增长,从 10Tb 增至 25Tb 再到 51Tb 及以上,这需要 ASIC 中每个 I/O (输入/输出) 针脚的电气信号速率得到相应的提升。这种电气信号速率将从现在的 25Gb/s 增至 50Gb/s 再到 100Gb/s,以支持输入/输出 ASIC 的总容量。每次这一速率增长,将电气信号从线卡传递至路由器/交换机面板的挑战随之大幅增加。

为解决这一挑战,即使传输距离只有交换机线卡内的几英寸远,业界也将在未来某个时候开始依赖光信号而非电气信号。因此光模块与芯片的联合封装在未来势在必行,只有这样才能确保路由与交换领域的持续创新。

为确保我们能够在部署时间、性能、功率和预期成本等方面推出符合客户要求的解决方案,思科正在光技术领域 (例如硅光子学) 实施战略投资。光模块加上芯片和软件,构成了支撑思科在路由与交换领域不断创新的根本性技术。

光技术行业在很大程度上仍然依赖“独立”的成套组件,这些组件涉及非常麻烦的测试和组装过程。如果我们将其与半导体行业相比(在半导体行业中,极其复杂的功能借助高度自动化的流程被集成到芯片(ASIC)中,这些自动化流程很少甚至不依赖人机互动)就会发现,我们可以考虑利用这些自动化流程来处理“光子信号”,而非半导体流程中的“电气信号”。硅光子学的希望在于利用半导体行业中的流程来使光模块制造过程更充分地实现自动化。

思科于 2012 年收购 Lightwire。Lightwire 是硅光子学领域中的一家早期创新企业。思科基于最初的 Lightwire 技术已开发出一系列产品并不断对其进行强化。

思科收购 Luxtera 后成为光模块领域遥遥领先的引领者:
  • 拥有一系列采用硅光子学技术的 100G/400G 产品,这些产品适用于数据中心应用,将有助于为思科的系列产品构成补充
  • 已开发出业界领先的制造业流程自动化,已实现将半导体行业流程和自动化技术引入到硅光子学中的全部目标
  • 在嵌入式光模块领域的造诣已在业界深入人心,嵌入式光模块是芯片与光模块联合封装的一段重要的必由之路

总而言之,现在数据中心在距离极短的应用 (<10m) 方面十分依赖光模块。100G 光模块是当今数据中心内占据主导地位的技术,预计未来将会移植到 400G 以及更高速率。

随着路由/交换端口的成本不断得益于芯片行业的进步,光模块现已在总成本中占据较大比例,因此思科将光模块视为与芯片一起研发的一项重要技术,以便确保我们能够跟上芯片性能发展的步伐,在成本与性能两方面推动进步。

我们深知,随着时间的推移,我们将需要整合芯片与光模块,以便不断扩展交换机和路由器的性能。思科将在芯片和光模块领域继续投入力量,以确保我们能够推出解决方案,满足客户在性能提升方面日益增长的需求。点击 “阅读原文” 了解更多思科运营商解决方案和技术服务!

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