5G上路在即，為應對隨之而來的龐大資料流量，資料中心內部網路正在快速升級。然而，由於銅材料所能提供的頻寬已逼近物理極限，不僅資料中心內部網路都將改用光纖乙太網，超短距離的伺服器內晶片互聯，亦將藉由矽光子(Silicon Photonic)技術實現光化。
5G通訊正在逐步邁向商用階段，2020年將是全球5G網路布建商機的起飛點。然而，5G其實是一個概略性的技術名詞，實質上還可細分成eMBB、URLLC與mMTC三個子規範，分別瞄準高頻寬通訊、超低延遲通訊與大量機聯網三種不同的應用場景。這意味著5G網路不僅要對人手一機的智慧型手機提供服務，還要支援機器對機器(M2M)通訊場景，除了資料吞吐量將隨著終端裝置(UE)暴增而呈現指數型成長外，對通訊的延遲要求也會比4G更為嚴格。
雖然URLLC跟mMTC的具體規範還未完全底定，但雲端服務跟電信業者在進行基礎建設投資時，不會忽視這些未來肯定將浮現的應用需求。因此，在資料中心端，內部網路全面光化已在進行之中，以光做為內部晶片互聯手段的矽光子技術也受到更多重視，擁有相關技術的廠商，更是頻頻成為大廠收購的目標。
5G帶動伺服器架構變革光進銅退趨勢不變
是德科技(Keysights)專案經理林昭彥(圖1)表示，5G網路將乘載許多新的應用，從資料中心的角度來看，這類應用可分成對運算效能導向與超低延遲導向兩大類。前者最明顯的的例子就是人工智慧(AI)、大數據分析，後者則是虛擬實境(VR)、擴增實境(AR)甚至車聯網。
圖1 是德科技專案經理林昭彥指出，因應5G、AI時代的到來，伺服器的硬體架構將出現巨大轉變，使高速介面的需求進一步提升。
為了滿足客戶對運算效能的需求，伺服器內部架構正在歷經極大的轉變。在過去，幾乎所有運算任務都是由CPU來處理，但在未來，各式各樣的專用加速器將會把這些原本由CPU執行的運算任務分攤出去，CPU的角色也會由運算的執行者轉變成系統的主控者。在某些狀況下，高達九成的運算任務將不再由CPU來執行，而是在加速器上執行。當這種特殊情況出現時，有些業者甚至會希望讓加速器能跳過CPU，直接跟系統內其他元件互聯，以提高效能、降低延遲。
對伺服器來說，這是一個很大的架構革命。不管CPU是否要扮演系統主控的角色，伺服器內各種元件之間的互聯頻寬必須比現在更高，配置也要更靈活。因此，伺服器內部的互聯標準在最近幾年頻繁更新，除了業界通用多年的PCIe開始頻頻改版外，還有像是GenZ、CCIX、CXL等新的晶片互聯標準出現。GenZ跟CCIX就是以加速器為核心所發展出來的高速互聯技術，可以讓加速器直接跟伺服器中的其他元件互聯，不必透過CPU擔任中介者。
但不管是PCIe或GenZ、CCIX等新的互聯技術，基本上都還是以銅做為傳輸介質，不會使用到光通訊技術。是德認為，在晶片互聯的情境中，藉由導入更複雜的調變機制，銅的傳輸效能還有進一步改善的空間。但只要跨出晶片互聯的範疇，走到資料中心內部互聯，就會是光通訊的天下。目前在資料中心內部互聯方面，100G跟400G乙太網是最主流的選擇，所有雲端服務跟網路公司，如Facebook、Google、亞馬遜(Amazon)、阿里巴巴等，都已經完成100G網路布建，並開始朝400G升級。
至於在降低延遲方面，邊緣雲(Edge Cloud)是解決延遲問題的根本方法。當運算設備距離使用者節點越接近，延遲也越低。這意味著未來光通訊的應用市場除了大型雲端機房外，還會有許多邊緣雲端機房的商機。
從晶片對晶片這類只有短短數吋之長，到越洋海底光纜這類距離可達數千公里的通訊，是德都有完整的測試解決方案。以往業界都把測試視為成本，但善加利用測試工具，也能加速創新。對5G基礎設備來說，成本、頻寬、功耗、尺寸等議題所帶來的挑戰會越來越艱鉅，但從是德的角度來看，很多已經存在的技術就足以克服這些難題，關鍵在於如何善加利用既有的技術跟工具，來完成產品研發。
因應高頻需求 時脈規範更嚴格
而隨著5G對頻寬跟延遲的要求更上一層樓，相關設備所使用的時脈方案，在精準度、穩定性跟相位雜訊方面，也必須跟著同步升級，才能確保設備正常運作。
泰藝電子業務處長陳毅山(圖2)表示，幾乎所有電子設備都有時脈元件，5G所使用的基地台、交換器、伺服器當然也不例外。跟一般消費性電子產品相比，電信設備所使用的時脈元件，在穩定度、精準度跟相位雜訊方面，要求本來就更嚴謹，而隨著5G時代的到來，國際電信聯盟(ITU)對時脈元件也有對應的推薦標準，主要是ITU-T G.826x跟G.827x。
圖2 泰藝電子業務處長陳毅山指出，由於5G通訊的頻寬跟延遲要求更為嚴苛，因此時脈元件也必須同步改用穩定度更高，雜訊更低的方案。
這兩個建議標準分別對電信設備時脈的頻率及相位做出了規範，身為時脈元件供應商的泰藝，也備有一系列解決方案，從電壓控制溫度補償晶振(VCTCXO)、恆溫晶振(OCXO)到主要使用在基地台設備的GPS時脈模組，都能提供。
對電信網路而言，時脈同步是非常重要的要求，而隨著資料傳輸速率跟延遲的要求越來越嚴格，時脈的誤差容許值也變得更低。舉例來說，在5G分布式單元(DU)到射頻單元(RU)之間的前饋線路(Fronthaul)，就改用IEEE 1588-2008精確時間協定(Precision Time Protocol, PTP)來進行時脈同步，對時脈誤差的容許值從正負400奈秒大幅縮減到正負130奈秒。
而在資料中心設備端，比較明顯的差異在於時脈樹的架構出現改變。以往很多資料中心交換機都是採用時脈晶片對交換器SoC提供時脈訊號，但針對特定的網路實體層元件，還需要使用外部晶振來供應其所需要的時脈訊號。但現在的系統設計已經開始朝採用一顆時脈產生器產生多組時脈訊號的方向演進，以簡化時脈樹的複雜度。
矽光子潛力雄厚 大廠購併動作頻頻
雖然在晶片互聯層級，銅材料仍有成本與技術成熟可靠的優勢，但由於市場對頻寬的需求只增不減，許多晶片跟網通設備業者都已經開始為全光化，亦即矽光子時代的來臨預做準備。
高雄科大特聘教授施天從(圖3)指出，隨著1.6T乙太網標準已經出現在IEEE的發展路線圖上，許多研究機構跟晶片大廠，甚至是網通設備廠，都已經開始投入大量資源研發矽光子傳輸技術。
圖3 高雄科大特聘教授施天從解釋，矽光子其實是一種泛用技術，但通訊跟高速介面的應用市場需求最為迫切。
矽光子技術是一種基於半導體製程的光電技術，藉由半導體微影技術，將光源、鏡片等光學元件以及光接收器等光電元件縮小到數十至數百微米尺度，從而讓開發者得以在晶片上將其整合。因此，矽光子其實是一種應用非常廣泛的技術，不一定只能應用在通訊上。目前科技部下一共有五個與矽光子有關的專案計畫，其中有兩個就是跟通訊無關的矽光子陀螺儀跟矽光子生醫檢測。但由於5G、AI等應用對頻寬的需求最為急迫，因此另外三個專案計畫都跟通訊相關。
在晶片業者方面，賽靈思(Xilinx)已經明確宣示，112G將是現有SERDES技術的終點，未來該公司的研發方向將轉向矽光子。此外，英特爾在矽光子上的投入，也已經逐漸進入開花結果的階段。更引人注目的是，網通設備大廠思科(Cisco)也已經連續購併了Luxtera與Acacia等矽光子領域的領導廠商，替未來的市場需求預做準備。Luxtera的矽光子技術主要應用在晶片對晶片通訊，Acacia的矽光子技術則是鎖定更長距離的傳輸應用。
工研院電光所組長林建中(圖4)表示，由於目前速度最快的SERDES技術已把銅材料可以支撐的頻寬榨乾殆盡，加上功耗、材料阻抗以及隨之而來的傳輸距離限制、散熱等實際應用面上需要考量的因素。我們幾乎可以斷言，除非改用金、銀等導電性更好的材料，否則基於電氣訊號的SERDES，將很難再繼續走下去。
圖4 工研院電光所組長林建中認為，目前銅材料的頻寬已運用到極限，以光換銅只是時間早晚的問題。
然而，金、銀這類貴金屬的成本太高，在這個情況下，矽光子技術接棒，只是時間早晚的問題。工研院目前在矽光子的研發上，也已經有許多成果，主要是集中在矽光子晶片的自動化測試上。至於跟矽光子有關的基礎研究，則是由科技部的專案計畫來執行。