中國(guó)信通院趙文玉：硅光在通信和計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用探析

8月15日消息（南山）硅光，是業(yè)界探討的經(jīng)久不息的話題之一。近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬高速增長(zhǎng)，其應(yīng)用潛力得到進(jìn)一步挖掘，思科、英特爾等巨頭進(jìn)行了深度布局。市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole今年發(fā)布的一份報(bào)告稱，到2025年，硅光市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到39億美元。

在日前舉辦的2022中國(guó)光網(wǎng)絡(luò)大會(huì)上，中國(guó)信通院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部主任趙文玉發(fā)表演講，對(duì)硅光在通信和計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了全面探析。

通信領(lǐng)域：新型應(yīng)用拉動(dòng)硅光快速發(fā)展

通信領(lǐng)域主要分為數(shù)據(jù)中心和電信。趙文玉介紹，在數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)，硅光在100G短距離和400G及以上高速應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢(shì)。

其中，100G短距方向，硅光PSM4方案可大幅節(jié)約器件和組裝成本。在500m數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的100G QSFP28 PSM4光模塊產(chǎn)品市場(chǎng)，硅光混合集成方案份額超過(guò)傳統(tǒng)分立器件方案，目前已達(dá)到近80%。不過(guò)100G SR4、ER4/LR4、CWDM4等仍主要分別采用VCSEL、EML、DML方案。

400G及以上速率方向，400G DR4已經(jīng)步入商用，硅光尚未在成本和功耗方面對(duì)傳統(tǒng)方案形成有效優(yōu)勢(shì)，但技術(shù)和投資熱情較高。8×100G硅光方案如果成品率進(jìn)一步提升，有望在100m及以下與多模技術(shù)展開競(jìng)爭(zhēng)以及在500m部分取代EML成為主流。預(yù)計(jì)4×200Gb/s CPO將以硅光方案為主。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量快速增長(zhǎng)，交換機(jī)容量、端口密度、功耗等均面臨挑戰(zhàn)，CPO成為綠色數(shù)據(jù)中心重要發(fā)展方向。相較于傳統(tǒng)可插拔方案，CPO帶寬密度提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，能量效率優(yōu)化40%以上。

CPO的潛在切入點(diǎn)是spine-leaf結(jié)構(gòu)中的交換機(jī)，因?yàn)檫@些交換機(jī)在其所有下行鏈路上都需要單模光學(xué)器件，并且可以完全部署光學(xué)器件。能夠提供4到8個(gè)400GBASE-DR4和FR4鏈路的光引擎，將是與51.2T交換機(jī)結(jié)合使用的CPO的理想目標(biāo)。而spine上行鏈路可能需要相干光學(xué)，這將推動(dòng)CPO和可插拔光學(xué)混合型的交換機(jī)架構(gòu)。

據(jù)介紹，英特爾預(yù)計(jì)從可插拔向CPO的轉(zhuǎn)變將在未來(lái)5年內(nèi)發(fā)生，用來(lái)支持新的51.2Tbps交換節(jié)點(diǎn)。此外博通2021年1月發(fā)布系列支持CPO技術(shù)的下一代交換ASIC芯片概念。首款25.6Tb Humboldt芯片預(yù)計(jì)在2022年年底推出，51.2Tbps芯片Bailly則在一年后發(fā)布。

在電信市場(chǎng)，相干調(diào)制以及合分波器件的高度集成化，透鏡等分立元件數(shù)大量減少，同時(shí)可采用非氣密BGA接口，封裝尺寸小，成本低。硅光集成芯片規(guī)模商用，有望使相干技術(shù)降低成本進(jìn)而下沉到核心與匯聚層。

電信領(lǐng)域的典型硅光產(chǎn)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，采用專有DSP和硅光技術(shù)的低功耗高集成設(shè)計(jì)，滿足網(wǎng)絡(luò)接入、邊緣和企業(yè)園區(qū)應(yīng)用容量增長(zhǎng)需求。

中國(guó)信通院重視硅光集成技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)成立了5G光電子公共服務(wù)平臺(tái)，平臺(tái)依托工信部產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)公共服務(wù)平臺(tái)國(guó)家專項(xiàng)，助推硅光市場(chǎng)體系化發(fā)展。

計(jì)算領(lǐng)域：硅光互連硅光計(jì)算嶄露頭角

在計(jì)算領(lǐng)域，硅光可用于光互連。傳統(tǒng)服務(wù)器架構(gòu)面臨分解，包括通用/專用計(jì)算、AI/ML、HPC和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)的各資源池相互解耦，并通過(guò)高達(dá)Pb/s接口連接，互連開始主導(dǎo)成本和功耗，這為集成硅光I/O創(chuàng)造了巨大驅(qū)動(dòng)力。

趙文玉介紹，超過(guò)112Gb/s的SerDes極具挑戰(zhàn)，因?yàn)榘寮?jí)銅互連損耗使得傳輸距離難以超過(guò)幾厘米，帶寬與距離矛盾嚴(yán)重，需要進(jìn)行平衡。集成光學(xué)器件或可解決這一問(wèn)題，處理器到存儲(chǔ)器之間建立高速光連接，并可利用多種復(fù)用方式進(jìn)一步提升帶寬，目前相關(guān)方案已得到初步應(yīng)用。

再就是硅光經(jīng)典計(jì)算。光計(jì)算是利用光的物理性質(zhì)進(jìn)行大容量信息處理的光學(xué)運(yùn)算技術(shù)，具備低延遲、高帶寬、低能耗等固有優(yōu)勢(shì)。廣義的光計(jì)算是將光作為計(jì)算系統(tǒng)的組成部分，狹義的光計(jì)算是指在光域?qū)崿F(xiàn)信息處理和邏輯運(yùn)算。

受限于分立光計(jì)算系統(tǒng)體積大、兼容性差等問(wèn)題，光計(jì)算核心器件趨向于集成化、小型化方向發(fā)展，滿足光計(jì)算發(fā)展需求。硅基光電子因其發(fā)展相對(duì)成熟、器件種類豐富、工藝兼容等優(yōu)勢(shì)，成為集成光計(jì)算系統(tǒng)的主要技術(shù)。

光經(jīng)典計(jì)算目前產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，歐美有五家較為典型的初創(chuàng)企業(yè)將高校研究成果轉(zhuǎn)化，形成以光計(jì)算為核心的主營(yíng)業(yè)務(wù)。 其中Lightmatter采用硅光方案。隨著應(yīng)用需求和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的逐漸完善，預(yù)計(jì)光計(jì)算可初步實(shí)現(xiàn)相對(duì)電計(jì)算的性能和成本優(yōu)勢(shì)，在部分專用市場(chǎng)中形成產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

國(guó)內(nèi)已涌現(xiàn)出曦智科技、光子算數(shù)等行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)。從時(shí)間線上看，我國(guó)硅光計(jì)算產(chǎn)業(yè)從研發(fā)、測(cè)試到推出產(chǎn)品等環(huán)節(jié)，時(shí)間線幾乎與國(guó)際時(shí)間持平。部分芯片設(shè)計(jì)、加工、測(cè)試等全流程均可在國(guó)內(nèi)完成。

硅光經(jīng)典計(jì)算目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍然處于早期階段，商用產(chǎn)品非常有限。不過(guò)科研與市場(chǎng)活躍度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，未來(lái)將有更多企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)加入。

此外還有硅光量子計(jì)算。光量子計(jì)算使用光子來(lái)編碼量子比特，以光子的偏振自由度、角動(dòng)量等作為量子比特的變化量測(cè)對(duì)象，利用集成光量子芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)量子糾纏光源、量子糾纏門、量子比特測(cè)量的功能集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)光量子信息的高效處理、計(jì)算和傳輸?shù)裙δ?；量子漫步、檢索、分子模擬和組合優(yōu)化等應(yīng)用問(wèn)題。目前已經(jīng)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的重要路徑之一。

光量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展取決于光量子態(tài)制備、光量子態(tài)的操縱、光量子探測(cè)，以及器件制作材料、工藝等一系列科學(xué)問(wèn)題的研究進(jìn)展。與硅光經(jīng)典計(jì)算相似，目前處于早期階段，科研與市場(chǎng)活躍度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

趙文玉最后總結(jié)，硅光產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域和參與廠商眾多，其中通信和計(jì)算為近年來(lái)討論熱點(diǎn)。數(shù)據(jù)中心特點(diǎn)適合硅光大量應(yīng)用，CPO技術(shù)崛起，光子集成趨勢(shì)顯著。而在計(jì)算領(lǐng)域，硅光計(jì)算是使后摩爾時(shí)代計(jì)算技術(shù)突破傳統(tǒng)微電子計(jì)算極限的實(shí)際可行方案，隨著硅基光電子技術(shù)的不斷成熟，光電一體融合是必然的趨勢(shì)。

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