資料中心內連接效能升級關鍵　800G矽光子晶片加速光傳輸

在現今資通訊蓬勃發展的趨勢下，並肩負起人類生活型態的重大改變需求時，資料中心扮演著雲端應用大腦的重要角色。將大腦進行細部解析，有運算單元、記憶單元、能源維生系統、並由腦內神經串接個別單元，彼此溝通、協調、讓大腦正常運作。而現今熱門的5G系統、無線通訊、低軌道衛星通訊、甚至光纖到家等網路，則可以類比於人體的傳導神經，此類型系統是負責人體各項感官對外界資訊的收集，對內進行各器官運作的監控，及對人體行動下達指令進行各項動作的執行。因此人類可以思考、可以說話、可以動作、可以完成複雜的行為。因此資料中心內連接即可視為腦內神經的相當地位，建構一個完整並快速的內連接系統，可以大幅增加資料中心的能力，以構建更複雜、更快速反應的大腦。

資料中心的內連接系統，可以區分為電傳輸與光傳輸為主，不過因為傳輸速率的需求提升，加上超大規模資料中心(Hyperscale Data Center)越來越多而導致傳輸距離的成長，目前光傳輸方案的布建比例越來越高，如圖1所示(由Synergy Research Group發布)。依據美國專業IC製造商的推估，以一座內含10萬部伺服器的超大規模資料中心而言，約需要1萬部高速交換機，而所需要的光內連接數目則約需100萬個，由此可見光傳輸的需求在資料中心的重要性日益增加。基本上光內連接可以區分為三種類別，以應用於不同場合。第一種是伺服器到機櫃置頂(Top of Rack)交換機的光內連接，在某些場合下，電內連接的方案可以視為是替代性作法。因為成本及生產考量，本類型短距離的光內連接大多採用以面射型雷射，搭配多芯數的多模光纖的做法進行，通常傳輸距離約100公尺以內。第二種是資料中心內交換機之間數據互相傳輸與交換的光內連接，傳輸長度為數百公尺到數公里之間。傳統作法多以邊射型雷射(直調式DFB雷射或外調式雷射)為光源，搭配分波多工技術的單芯單模光纖，或單純的以多芯單模光纖直接連接。第三種是資料中心對資料中心的連接，通常做異地儲存或備援的功能，所以傳輸距離須達到數十公里，因此光訊號的傳輸品質必須較佳，目前則以外調式雷射傳輸搭配單模光纖為主。以上三種應用場景，如Yole於2020年所發布的調查報告，於圖2所示。

800G傳輸需求日益增加

至於資料中心內部對傳輸速率的要求，則因為半導體技術的發展，交換器內的主交換IC功能日益強大。自2018年美國交換機IC廠商利用16nm製程製作的交換器IC其交換速度達到12.8Tb/s，其連接介面為32×400GbE、64×200GbE或128×100GbE的傳輸埠，單通道傳輸速率為56G-PAM4。2020年該公司利用7nm製程製作的交換器IC其交換速度達到25.6Tb/s，內含超過300億顆電晶體，其連接介面為64×400GbE，亦可支援256×100GbE的傳輸埠，單通道傳輸速率則為50G-PAM4或100G-PAM4為主。如圖3為美國博通(Broadcom)之交換器IC演化(參考該公司報告)。

一般預期因為半導體製程線寬持續縮小，2023年將推出交換速度達到51.2Tb/s的交換器IC，其連接介面可支援64×800GbE，而單通道傳輸速率則提升為100G-PAM4或200G-PAM4，如圖4所示。

為了容納更多更快的連接介面，該公司投入矽光子領域進行研究，將朝最高功耗效率、最高傳輸頻寬密度，以及採用可插拔雷射光源以提高可靠性與營運效率。另外該公司分析交換器成本，發現光內連接的成本約是交換器IC成本的10倍，因此降低光內連接的成本也是一項重要目標。由圖4顯示，該公司亦將開發800G DR8光收發模組。

800G傳輸需求與規格逐漸浮現，各式光收發模組的市場規模依據Light Counting發布的調查報告，如圖5所示，目前仍以100G光收發模組為主流，產值占有市場約2/3，不過400G的需求將逐步成長，而2×400G的需求將開始浮現。

多家領導廠商投入矽光子計畫

在未來更高速的連接介面逐漸有傳統可插拔式(Pluggable)及共構光學(Co-Pacjaged Optics, CPO)等兩種方式被提出。如由多家領導廠商(Accelink、AOI、Baidu、CIG、Fujitsu、H3C、Hisense、Huawei、Sumitomo Electric、Yamaichi Electronics、Luxshare、Tensent、Inphi、Lumentum等大型公司)新成立的800G可插拔式多來源協議(800G Pluggable Mulit-Source-Agreement)。可插拔模組具有更換容易、維修簡單、與現有架構相近等優點，但是隨著傳輸速率日益提高，其與交換器IC之間的高頻走線損耗更加嚴重，甚至必須外加IC以補償訊號於交換機內之衰減，同時因為可插拔模組必須安裝可插拔連接器及光收發器外殼等，而導致傳輸頻寬密度有所限制。共構光學結構則考慮在未來高速交換器IC上，其連接介面不管是頻道數或是傳輸速率都持續增加之狀況，將連接介面置放於高速交換器IC之旁邊，則可以提高傳輸頻寬密度，也可以降低高頻走線損耗之困擾，所以也吸引許多公司投入，只是目前尚未有多來源協議等聯盟產生，板上光學聯盟(COBO)則將其演化列圖說明，如圖6所示。

相對於美國Broadcom的矽光子計畫，美國的光交換系統設備廠商，如Cisco與Juniper也已經提早布局相關的矽光子技術開發。Cisco最早於2012年收購了Lightwire，開始掌握CMOS Photonics and Packaging的技術，然後於2018年底收購Luxtera，並於近期收購Acacia Communications。在數年前年大受歡迎的100G PSM4光收發模組，Luxtera與Intel兩家公司以矽光子技術完成的產品占據大部分市場。而Acacia Communication則以矽光子技術開發同調式高速率光收發模組，也是目前的領導廠商之一。而於2020年6月進行的歐洲光產業論壇(EPIC)線上論壇，Cisco也展示其新一代高容量交換機的設計與想法，其內部採用共構光學模組取代傳統的插拔式光收發模組，並以外接雷射的方式提供矽光子晶片直流光源。如圖7所示，為Cisco與智邦共同開發，採用外掛式雷射光源，以提高系統可靠性與操作效率。

相對於Cisco以大量購併矽光子技術公司，加快提升解決日益需求高漲的連接介面方案的方式，美國Juniper也於2016年購併Aurrion，建立自己的矽光子技術，以因應未來的高容量交換機需求。Juniper於2019年底舉辦的NXTWORK 2019研討會中，發表已經建立的矽光子技術與後續發展方向，提出「Silicon Photonics 2.0」的做法，將雷射與矽光子晶片積體化，如圖8所示。目前光傳輸所需要的各式元件，如光耦合器、分光器、光分波多工器、光調變器、光接收器、極化控制器等均已經有解決方案，而其性能均有良好之表現。

矽光子晶片最大限制在於矽材料為非直接能帶的結構，無法藉由注入電流進行光電效應達到發光的效果。因此雷射光源通常採用外置的方式，可以分別封裝再以光纖引入雷射光進入矽光子晶片，也可以利用覆晶式(Flip-chip)封裝直接將雷射對準矽光子晶片之光耦合器引入雷射光，另也有設計微小光學結構經過聚焦透鏡將雷射光注入矽光子晶片中的作法。而Juniper的做法則將具有發光特性的磷化銦量子井以晶圓對貼(Wafer Bonding)方式，先貼於矽光子晶圓上，再進行半導體製程，將雷射共振腔與其他矽光子元件一起製作，如此可以免除雷射與矽光子晶片耦光對準的額外封裝流程，如圖9所示。其雷射封裝密度可以很高，而且可以藉由矽光子晶片調整雷射波長，但相對缺點則為技術困難，磷化銦量子井晶圓的使用效率較低，及無法事先對雷射進行篩選預燒(Burnin)影響成品率。

Juniper於2019年推出400G-FR4及400G-DR4的整合型矽光子晶片，並組裝成400G QSFP-DD的可插拔光收發模組，如圖10所示。

Juniper對未來光連接的發展方向則傾向於捨棄具有固定尺寸的SFP/QSFP/OSFP等可插拔式光收發模組，改採用COBO(Consortium of On-Board Optics)積極推動的板上光學(OBO)的光引擎方式進行交換機的連接，而更前瞻的更大容量交換機則採用與前述Broadcom與Cisco相近的共構光學(CPO)封裝方式，如圖11所示。

在矽光子技術領先的美國Inphi即與另外一家設計生產交換器晶片的Innovium，2021年4月在COBO舉辦的線上研討會中發表資料中心網路演化的報告，提及傳統的插拔式光收發模組與共構光學光收發模組的優缺點，且預期將會共存一段時間。但是在更前瞻的51.2Tb/s的交換機系統中，則將會採用共構光學式光引擎，如圖12所示。

至於以矽光子技術生產銷售100Gb/s及400Gb/s光收發模組最領先的美國Intel，也於2020年美國OFC會議中發表1.6Tb/s矽光子引擎，與交換器IC的配置如圖13(a)所示，圖13(b)則為矽光子晶片發射端結構，採用雙雷射光源配置以提高可靠性，同時採用微型環狀調變器(Micro-Ring Modulator, MRM)可以減少矽光子晶片面積，也採用模態轉換器(SSC)提高利用V形槽進行光纖封裝時的耦合偏移容忍度，圖13(c)為矽光子晶片接收端結構，利用高速鍺光二極體進行接收。Intel是最早也是最成功將雷射與矽光子晶圓積體化的公司，累積相當豐富的研發及量產經驗。

Intel也於2020年的Semicon West 2020會議中發表16通道整合式矽光子發射晶片及於未來將共構光學式光引擎應用於交換機的架構，如圖14所示。

矽光子技術為資料中心重要關鍵

除以上所述各公司對矽光子技術之投入外，另外許多公司，如Rockley Photonics、Analog Photonics、Ranovus等亦有相當的投入，紛紛展現400G甚至800G的矽光子晶片及模組，矽光子技術的重要性隨著交換器容量的提高而增加，不只是光纖通訊的重要發展趨勢，更是未來資料中心持續發展的重要關鍵。

(本文作者為國立高雄科技大學特聘教授兼電機與資訊學院院長)