新思科技224G SerDes IP助力线性驱动光学器件发展

数据生成与消费的迅猛增长，使得数据中心对更高数据速率和带宽的需求持续攀升。长期以来，铜互连一直是数据中心内部高速数据传输的基础，为短距离连接提供了可靠且经济高效的解决方案。但随着数据速率不断提高，铜的物理局限性愈发凸显，促使行业向光互连转型。

本技术文章概述了从铜互连到光互连的转型，重点介绍了SerDes IP的关键性能指标、延迟考量因素、功耗以及线性光接口的兴起。

影响从铜到光转型的关键性能指标

从铜到光的转型受到多个关键性能指标的影响。过去，数据中心前端的以太网连接多采用光纤解决方案，而内部纵向扩展则依赖铜缆。但铜互连的传输距离正在迅速缩短。在数据速率为112 Gbps时，铜背板线缆的长度约为2.5米。当数据速率提升至224 Gbps时，该长度缩至约1米。

为应对这些限制，目前主要有以下三种方案：

直连铜缆（DAC）

有源电缆（AEC）

有源光缆（AOC

虽然在短距高速连接中，DAC和AEC等铜缆解决方案仍占主流，但随着对传输距离和带宽的要求不断提高，光纤技术必然是未来横向扩展的发展方向。

延迟考量因素

在光互连部署中，延迟是一个关键因素。光纤在传输距离和带宽方面优势显著，但与铜缆解决方案相比，其延迟更高。这主要是光传输中采用的Reed-Solomon（RS）效应和汉明纠错机制所致。

在高速数据传输场景中，例如对延迟极为敏感的加载和存储操作，铜缆依然是首选。铜互连延迟较低，因此适合此类关键应用。而像数据分区和分发等对延迟不太敏感的横向扩展操作，则越来越多地采用光纤解决方案。

功耗

对比铜互连与光互连，功耗是另一个重要的考量因素。有源光学模块的功耗通常是同类有源铜缆模块的2.5到4倍。这是因为光传输需要额外的器件，比如激光驱动器和跨阻放大器（TIA）。

尽管光互连功耗更高，但因它能支持更高的数据速率和更长的传输距离，因此其市场需求仍在不断增长。目前，研发低功耗光学器件已成为重要的研究方向，旨在缩小铜缆和光学解决方案在功耗方面的差距。

▲图1：与线性驱动光学器件的节能效果比较

线性光学接口的兴起

自2010年代初起，线性光学接口，尤其是10 Gbps速率的接口，就备受业界关注。不过，该技术近期才得到广泛应用。随着数据速率不断提高，传统重定时接口的局限性日益显现，这使得人们重新关注线性直接驱动光学技术。

▲图2：利用主机（交换机）电气SerDes补偿光学损耗

传统的重定时接口使用DSP芯片来驱动光学器件，这会增加复杂性和延迟。而采用线性驱动光学器件则省去了传统光纤传输之前用于信号重定时和均衡的中间DSP器件。通过将这些功能直接集成到主机芯片的SerDes中，线性驱动光学器件简化了传输路径，降低了延迟和功耗。

线性驱动光学器件的主要优势在于，能以更低复杂性处理高数据速率。在112 Gbps速率下，线性驱动光学器件可直接与光学组件连接，提供简洁高效的信号路径。这种直接连接是通过将先进的模拟和混合信号设计技术整合到SerDes中来实现的，因此它能高保真地驱动光学调制器并检测信号。

为应对224 Gbps的更高数据速率，业界正在研究混合方法。在如此高的速率下，更高的奈奎斯特频率会在光域引发非线性问题，需要额外的器件来保证信号完整性。集成自动增益控制（AGC）和时钟数据恢复（CDR）芯片的混合模式，正逐渐成为应对这些挑战的可行解决方案。

共封装光学器件（CPO）和UCIe

近年来，关于共封装光学器件（CPO）的讨论日益热烈。CPO将光学器件直接与主机芯片集成，缩短了电接口和光接口之间的距离，从而提升了性能。

通用芯粒互连技术（UCIe）标准在CPO系统的开发中发挥着关键作用。UCIe有助于Multi-Die系统内的Die-to-Die通信，实现高密度、高速连接。针对CPO，业界主要研究以下两种方法：

串行PHY直接/线性光学驱动：在该方法中，UCIe用于主机芯片内的Die-to-Die通信，然后与包含SerDes和光学器件的I/O芯片连接。该方法传输距离较长，但由于存在额外的SerDes，延迟和功耗相对较高。

▲图3：CPO用例：距离更长，但延迟和pJ/b较高，Gb/s/mm较低

并行PHY直接/线性光学驱动：该方法无需SerDes，UCIE用于主机芯片和集成硅光子器件的I/O芯片之间直接通信。该方法传输距离较短，延迟和功耗较低，但需要借助CWDM（粗波分复用）等先进光学复用技术，以实现有效的光纤管理。

▲图4：CPO用例：距离较短，但延迟和pJ/b较低，Gb/s/mm较高

更高数据速率带来的挑战与对应的解决方案

从铜到光的转型并非简单替换传输介质，而是需要一套全面方案，确保新的光学系统能够在应对固有挑战的同时，提供所需的性能。线性驱动光学器件作为推动这一转型的关键创新，实现了更为简洁高效的光学数据传输。

随着数据速率攀升到224 Gbps及以上，线性驱动光学器件面临的挑战愈发严峻。在如此高的速率下，更高的奈奎斯特频率会加剧信号完整性问题，比如引发非线性现象和信号损耗，进而降低光学链路的性能。

为应对这些挑战，业界正在开发半重定时的混合方法。该方法在保留线性驱动光学器件优势的基础上，增加了信号调理器件，例如AGC和CDR芯片。这些器件有助于减轻非线性和损耗影响，确保光信号在较长距离内保持完整性。

▲图5：半重定时线性光学接口变体

线性驱动光学器件已成为现实

新思科技近期展示了PCIe 7.0和224 Gbps线性光学驱动解决方案，充分展现了这些技术的实际应用效果。这些展示突出了无源元件、线性放大器和调制激光器的集成，有力地证明了线性光学接口用于下一代数据中心的可行性。

未来高速互连的发展，关键在于光学技术的持续进步。随着行业迈向更高的数据速率和更复杂的系统架构，光学解决方案的应用将越来越普遍。研发低功耗、低延迟的光学器件，对于解决现代数据中心横向扩展挑战至关重要。

结语

从铜到光的转型，源于人们对更高带宽、更长传输距离和更高性能的追求。尽管铜缆在对延迟敏感的应用中仍然重要，但在横向扩展场景中，光互连有望占据主导。线性光学接口的兴起，以及超以太网和UCIe等标准的采用，为下一代高速数据传输解决方案奠定了基础。光学技术的持续演进将在塑造未来数据中心连接方面发挥关键作用，助力数据以空前速度高效、无缝地传输。