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光互连可以满足数据中心的挑战

文章：Jeff Hockert

直接设计在服务器芯片和封装中的光I/O可以彻底改变数据中心网络。

数据中心快速接近拐点，其中从电互连的性能下降到停止，并且通过铜泵浦电子所需的功耗继续升级。

幸运的是，光互连能够满足行业的性能和功率挑战，将数据中心带入集成光子学连接的新时代。在最近的英特尔实验室日，英特尔实验室的高级首席工程师和Phy Research实验室主任James Jaussi表示，“当我们期待通信和数据中心性能的未来时，电气和光学之间存在明显的拐点。”他补充说，我们正在快速接近电气性能的实际限制，使得没有基础创新，我们看到了节能电路设计的限制。万博投注网址

Jaussi表示，第二个挑战是I / O电源墙。“每三年增加花费的需求大约一倍。遗憾的是，电气性能缩放不会跟上带宽需求的步伐 - 导致动力墙，其中I / O电源趋势大于可用插座电源的总电源 - 为计算而留下任何东西。“

电子连接目前在短距离上比较流行，包括板对板和包对包。随着硅光子学实现关键的集成里程碑，光模块更小，成本更低，产量更高，这种情况必将改变。

图1硅光子在数据中心环境中寻找使用。来源：英特尔

英特尔的长期绩效目标是每条纤维的1 Tbps带宽，每位1微微约会（PJ / B），范围高达一公里。“通过实现这些目标，我们可以潜在地整合每个插座的带宽10秒或100多个带宽，同时在合理的功率约束范围内配合，并同时解决电气I / O的覆盖限制，”Jaussi表示。

在传统的服务器系统中，由于频率依赖损失，高带宽的电子I/O被限制在小于12英寸的内部路由距离。扩展处理器之间的电子连接越来越需要更多的I/O引脚、更多的PCB层和轨迹，以及增加封装尺寸以满足带宽需求——增加了大量成本，但却无法解决电源墙问题。

利用光学互连，“通过使用硅光子密切地集成光学I / O，我们可以在较小的占地面积中获得三个好处：较低的功率，更高的带宽和减少的针计数，”Jaussi表示。

虽然有很多工作要达到这些目标，但解决这些挑战的道路很清楚。

光互连:四个突破

在过去的15年里，英特尔已经在光子模具上集成了激光。最近，英特尔研究人员已经描述了四种额外的技术突破，将将集成的光子学突破为基于英特尔的服务器平台，打开了更加分类的新计算架构。诸如计算，存储器和网络元素的多个功能块将被光学地扩展和互连。

这四种技术包括微环调制器架构，全硅光电探测器，硅光放大器和CMOS电路集成。Intel Labs的Haisheng Rong，硅光子设备研究的主要工程师和经理表示，目前的调制器技术相对较大，以毫米为单位测量，而微型环测量在微米 - a> 1000倍尺寸减小，这打开了在服务器包上放置数百个设备的门。2020年，英特尔描述微环直接调制使用> 100 Gbps的CMOS电路。

图2英特尔的光学网络微圈用微环调制写波分复用（WDM）。来源：英特尔

在光学数据传输中，微环调制器具有将数据编码到激光光上的重要作用。随着光线行驶，它击中了微环旁边的波导中的虚拟叉。这里，当从上方的电路施加电压时，光可以由微环调制器继续或被捕获。当光被捕获在微环中时，它在位于光纤电缆末端的照片检测器处看起来是数字零。如果光线继续，它看起来是一种数字。施加到微环的调制电压会产生数字和零。

通过使用波分复用激光器，分离的微环可以调制不同波长的光。“使用四个微环，我们能够捕获来自同一束激光的四个不同波长的数据，在同一束光中传输四个比特，”荣说。“通过多波长微环调制器技术，我们可以扩展到4到8、16，甚至更多。”

其次，英特尔成功开发了全硅光电探测器。几十年来，它被认为是基本限制，硅在1.3-1.6μm波长范围内几乎没有光检测能力。2020年何时证明了这一假设英特尔展示了光探测能力用全硅光电探测器。主要优点是加工和材料成本降低。同样重要的是，该硅光电探测器以112 Gbps的数据速率运行。

图3此处英特尔的集成光子原型突出了微环调制器。来源：英特尔

第三，当我们专注于降低总功耗时，硅光放大器是不可或缺的技术。从激光中产生所有所需的光能同时最大限度地提高能源效率是一项挑战。幸运的是，这些光放大器的效率是集成激光器所用材料的2-3倍。

激光集成的能力使放大器成为可能。此外，该放大器与波分复用激光器一起工作，显示出令人印象深刻的输出功率和能量效率。

最后，“CMOS电路和硅光子的共同集成将所有这些技术带到一起，”英特尔实验室的主要工程师Ganesh Balamurugan说。英特尔的100-Gbps硅光子发射器由两个堆叠的IC组成：底部的硅光子IC，其包括集成的激光和微环调制器;上面是一个带有界面电子的CMOS电气IC。两种ICS使用铜柱以3D方式组装，将微型环和CMOS控制电路集成在单个封装中。

Balamurugan说:“我们的光子收发器中的电子集成电路包含了驱动和控制环形调制器所需的所有电子器件，用于光强度调制。”“使用高速CMOS开关电路，我们可以通过调制环形调制器的偏置电压可靠地传输多级数据。”

微环调制器对温度和工艺变化非常敏感。为了缓解这一问题，电子IC控制加热器与环形调制器集成，以调整和稳定其谐振波长。Balamurugan说，控制电路使环保持在稳定的温度，这对使敏感的调制器商业化是至关重要的。

光收发器原型

集成的光子技术技术的电量比电力I / O能力低4倍，同时提供> 1,000倍。

Jaussi指出，一些非英特尔技术平台还包括光电子模具上的CMOS晶体管。“英特尔的技术战略是将我们的硅光子平台与我们的CMOS工艺技术分开，”他说。“这使我们能够使用最先进的过程技术，因为它是独立于硅光子凝视平台开发的。”

光子和CMOS芯片在英特尔装配，测试和技术开发集团内开发的技术集成。共同集成是提供性能和成本优化的光收发器的关键。

英特尔实验室将所有上述关键技术成分组合在其最新的收发器原型中。对于集成的光子，路径清晰可将光学I / O带入服务器平台，集成到英特尔服务器包中。光子和电子ICS都设计为支持四通WDM，与单波长实现相比，数据吞吐量。

该光子集成电路包括一个单腔四波长激光器、片上光放大器和高效的WDM环基调制/检测。CMOS电子集成电路包括接口电路发射，接收和控制所有四个波长通道。英特尔已经通过片上硅波导演示了在发射和接收通道之间无错误的数据传输。

jaussi通过注意到这些技术的进步在一起，通过将光学I / o直接带入我们的服务器并进入我们的包装来创建一条路径来创建一个路径来彻底改变数据中心网络。

性能因使用、配置和其他因素而异。英特尔技术可能需要启用硬件、软件或服务激活。更多信息请访问英特尔性能指标概述。

本文最初发表于edn.。

杰夫霍克特Intercon Corp.互连营销经理