PAM4帶動改朝換代　400G高速網路容「光」煥發

根據網路設備大廠思科(Cisco)每年發布的全球網路使用調查報告，思科視覺化網路指數(Cisco Visual Networking Index, VNI)預測，2022年，透過全球網路傳輸的IP流量將超越自「網路年代」開始以來截至2016年的所有總流量。換言之，單單在2022年這一年內產生的流量，將超越自網路誕生以來的32年的總流量。這些流量將由每一個人、使用的機器及以不同方式使用網路而產生。隨著第五代行動通訊(5G)、人工智慧(AI)、物聯網(IoT)的持續發展，網路資料量大增，也帶動寬頻網路需求。

思科視覺化網路指數進一步指出，2022年，全球60%人口將成為網路用戶，同時有超過280億設備透過網路互連，而影片瀏覽將占所有IP流量的82%。自2017~2022年，全球IP流量將成長超過三倍，2022年全球IP流量預計將達到每月396EB(Exabytes)，遠高於2017年的122EB，而全年總流量則為4.8ZB(Zettabytes)；全球固網和行動個人設備及連接將從2017年的180億增加至2022年的285億；全球寬頻、Wi-Fi及行動網速將提高兩倍或更多，影片、遊戲及多媒體內容將占逾整體網路流量的85%。

高畫質影片與遊戲推陳出新，當網路流量成長沒有盡頭，扮演基礎骨幹的傳輸網路系統，面臨頻寬持續擴張的需求。而相較可以提供高度便利性的無線通訊技術，有線通訊近年受人們關注的程度較低，但光纖通訊並沒有停下發展的腳步，未來幾年400G光纖網路將逐漸成為骨幹網路的主力，取代目前以100G為主的架構。

PAM4取代NRZ調變

骨幹網路身為基礎建設的重要性，高雄科大電子工程系特聘教授施天從(圖1)提出巧妙的比喻，民國初年一位軍閥第一次看到水龍頭，發現開關一扭就有乾淨的水嘩啦嘩啦流出，心裡覺得太神奇了，於是命人買了一堆水龍頭，回家一樣安裝在牆上，結果牆壁當然不會流出水來。現在各種無線通訊技術就像是各式漂亮的水龍頭，吸引消費者的目光與喜愛，但其實用價值很大一部分依賴埋在牆壁裡看不見的管路。

最簡單的道理就是管路越大出水量越大，行動通訊進入5G時代，以個人智慧手機的傳輸能力為例，將從數百Mbps一舉提升到Gbps等級，聯網裝置數量也更多更密集，若不能持續加大骨幹網路的頻寬，布建完善的基礎建設，終端水龍頭開關再大，也只能出現涓涓細流。目前骨幹網路以光纖為主流，單路25G的網路在最普遍的四路收發器架構下可達100G速度，是目前網路骨幹的主力，然而光纖單路要提升到50Gbps以上的速度，不能再使用傳統的不歸零編碼(Non-Return-to-Zero line code, NRZ)技術，必須要升級到四階脈衝振幅調變(PAM4)技術。

採用NRZ調變的光通訊網路，Anritsu業務暨技術支援部副理王榆淙表示，單路25Gbps的速度已是極限，採用PAM4技術至少可以將單路傳輸速率倍增，目前採用PAM4調變的光通訊收發器，單路可達100Gbps，搭配四路的QSPF收發模組就可達400G；施天從說明，若使用密集波長分波多工系統(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)，將光線分成不同波長，又可以在同一條光纖中傳輸多個不同載波訊號。

400G網路進入高階應用

根據產業研究機構Lightcounting研究報告指出(圖2)，全球光通訊模組市場從2010~2018年每年呈現穩定成長，並以GbE與10GbE為主流，2019年由於前一年的跳躍式成長，整體市場規模會縮小一些，不過衰退的僅是出貨量最大的GbE與10GbE模組，至於高速的100G模組與400G模組的成長趨勢並未走緩。100G模組的規模將在2021年正式超越10G模組，200G與400G模組也將持續在高階核心網路的應用開拓市場。

整體而言，光通訊應用固然持續朝向高速率發展，然而針對不同應用會採用不同的模組與架構，成本是最主要的考量之一。光通訊網路架構粗略可分為單路、雙路、四路、多路等，依照收發器模組的型態，高階技術會先進入市場，但由於成本高所以多應用在資料中心與電信機房等核心網路，等到技術成熟之後會逐漸採用較簡單的架構降低成本，並普及到更一般、更終端的應用。

無線行動通訊4G LTE在2017~2018年發展接近成熟，同時高畫質行動影音內容也呈現爆炸性的成長，導致資料中心儲存空間供不應求，記憶體、儲存元件出現難得一見的連續兩年大幅成長，網路頻寬升級的需求甚囂塵上，使用PAM4技術的光通訊開始嶄露頭角，2019年已經開始有少量出貨，與行動通訊產業一樣進入改朝換代的階段。

12.8Tbps網路交換器帶動400G模組

採用PAM4的相關零組件與傳輸模組成為未來幾年寬頻光通訊產業的關注焦點，從整個網路的骨幹架構來觀察(圖3)，太克科技大中華區行銷業務協理張天生認為，在資料中心或大型機房中，NRZ與PAM4架構將有幾年並存的時間，並且共同組成50G~400G的網路架構，在需要最大頻寬的資料中心核心伺服器或主要的對外網路頻寬採用400G光纖網路，在其他頻寬需求較低的互連模式中，則採用較低的網路速度。

主要考量重點還是頻寬需求與成本的平衡，不過由於PAM4技術訊號複雜度高，訊號傳輸容易衰減在需求更長程與高頻的傳輸時，可能會改用同調光纖通訊系統(Coherent Optical Fiber Systems)，提供400G~1T的網路頻寬。資料中心、電信機房是這波寬頻骨幹網路升級的主力，資料中心的需求與速度又大於電信機房。Credo行銷與業務發展副總裁Jeff Twombly(圖4)解釋，2018到2019年導入了兩大科技發展：網路交換器頻寬從主流的3.2Tbps等級提升到12.8Tbps，使資料中心的連接埠從128×100G升級到32×400G為基本單位布建，以及32×400G交換器正式導入400G光纖收發模組。

隨著4K/8K的高畫質影音內容持續增加，AR/VR等數位實境應用越見普遍，Jeff Twombly認為，12.8Tbps的交換器市場需求將持續提升，400G光纖系統成為新規畫布建的主流。對超大規模資料中心(Hyperscale Data Center)的大型業者而言，隨著25.6Tbps的交換機晶片組在2020年導入，「頻寬超級週期」將持續發展。而在同一時間，QSFP-DD和OSFP模組將從400G轉向800G。

超大規模資料中心率先導入

根據Cisco的調查，全球超大規模資料中心2016年有338座，建置的伺服器數量占全球資料中心27%，預計到2021年，全球超大規模資料中心預計將成長至628座，建置的伺服器數量占整體產業的53%。主要廠商就是北美的Google、Apple、Amazon、Microsoft與中國的百度、阿里巴巴、騰訊、京東等網路巨擘，太克科技技術經理楊雄偉指出，資料中心已經成為高度資本密集的產業，業者建置的規模持續擴大，進入門檻也因此不斷墊高，10億美元只是基本門檻。

一個資料中心從規畫到興建完成與營運通常需要數年時間，網路頻寬只是其中一個規畫項目，建置用地、水電需求更是重點，楊雄偉直言，由於資料中心是高度耗能產業，如何取得便宜的電力或者如何用最少的電力換取最大營收，才是資料中心業者考量的重點。2019年投入營運的資料中心，網路架構應該還是以100G為主力，搭配少數的400G頻寬；2019年規畫的資料中心，網路傳輸架構應該就會更多考慮400G的解決方案了。

另外一個採用光纖骨幹的是電信機房，由於2019年是5G元年，許多電信業者目前正投入5G網路的建置，施天從提到，電信機房與資料中心的思考邏輯有些不同，資料中心需要預測營運時的網路需求，對於網路頻寬規畫會從「寬」；但電信機房對頻寬的規畫則是從「嚴」，原因在於電信業者希望最大化使用者並提供最高的流量使用率，這樣才不會產生過度的投資，所以只有在使用者或流量成長接近或超過系統負荷時，才擴充頻寬或伺服器處理能力。

矽光子為下個閃耀之星

展望未來，Jeff Twombly說，資料中心業者需要擴展頻寬和整體的吞吐量，以跟上5G、AI、AR/VR這些新興應用的工作負載需求，如果這些應用的發展迅速，也將使400G和800G網路連接埠的需求增強。單埠100G PAM4的技術之所以受到矚目，當然是因為該技術發展帶動的許多商機，包括EML雷射、光收發器、光連接器、光耦合器、分/合光器、光收發模組等關鍵零組件。

而更大頻寬的技術除了同調光纖系統之外，矽光子(Silicon Photonics)則是更為前瞻的技術，過去積體電路IC都是利用電訊號與半導體材料，光子積體電路則是將光訊號取代電訊號。身兼國家1600G矽光子平台光收發模組計畫的主持人，施天從認為PAM4調變技術光收發模組發展到800G以上就會出現瓶頸，矽光子收發器直接挑戰1600G，由於其可實現高速光電轉換、傳輸與光譜訊號處理等功能，並具備大幅縮減模組尺寸，降低功率消耗和成本，提高可靠度等技術優勢。

矽光子可望接棒下世代光收發器技術，因為光本身無電荷、無質量，同一通道內訊號也不相互干擾，損耗/熱量生成低，遠比基於銅導線傳導的技術來得優越。一般光學通訊傳輸波長為1,310~1,550nm之間，而矽不會吸收此段波長；又所使用的絕緣矽(Silicon On Insulator, SOI)技術成熟度高，可以有效降低成本。同時現階段也已經有許多國際大廠看好矽光子技術潛力，持續投入研發或透過併購取得技術專利，未來矽光子技術肯定是光通訊領域值得長期關注的明日之星。