中國信通院趙文玉：硅光在通信和計算領域的應用探析

8月15日消息（南山）硅光，是業(yè)界探討的經(jīng)久不息的話題之一。近年來，隨著網(wǎng)絡帶寬高速增長，其應用潛力得到進一步挖掘，思科、英特爾等巨頭進行了深度布局。市場調(diào)研機構(gòu)Yole今年發(fā)布的一份報告稱，到2025年，硅光市場規(guī)模將達到39億美元。

在日前舉辦的2022中國光網(wǎng)絡大會上，中國信通院技術與標準研究所寬帶網(wǎng)絡研究部主任趙文玉發(fā)表演講，對硅光在通信和計算領域的應用進行了全面探析。

通信領域：新型應用拉動硅光快速發(fā)展

通信領域主要分為數(shù)據(jù)中心和電信。趙文玉介紹，在數(shù)據(jù)中心市場，硅光在100G短距離和400G及以上高速應用具有明顯優(yōu)勢。

其中，100G短距方向，硅光PSM4方案可大幅節(jié)約器件和組裝成本。在500m數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的100G QSFP28 PSM4光模塊產(chǎn)品市場，硅光混合集成方案份額超過傳統(tǒng)分立器件方案，目前已達到近80%。不過100G SR4、ER4/LR4、CWDM4等仍主要分別采用VCSEL、EML、DML方案。

400G及以上速率方向，400G DR4已經(jīng)步入商用，硅光尚未在成本和功耗方面對傳統(tǒng)方案形成有效優(yōu)勢，但技術和投資熱情較高。8×100G硅光方案如果成品率進一步提升，有望在100m及以下與多模技術展開競爭以及在500m部分取代EML成為主流。預計4×200Gb/s CPO將以硅光方案為主。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量快速增長，交換機容量、端口密度、功耗等均面臨挑戰(zhàn)，CPO成為綠色數(shù)據(jù)中心重要發(fā)展方向。相較于傳統(tǒng)可插拔方案，CPO帶寬密度提升一個數(shù)量級，能量效率優(yōu)化40%以上。

CPO的潛在切入點是spine-leaf結(jié)構(gòu)中的交換機，因為這些交換機在其所有下行鏈路上都需要單模光學器件，并且可以完全部署光學器件。能夠提供4到8個400GBASE-DR4和FR4鏈路的光引擎，將是與51.2T交換機結(jié)合使用的CPO的理想目標。而spine上行鏈路可能需要相干光學，這將推動CPO和可插拔光學混合型的交換機架構(gòu)。

據(jù)介紹，英特爾預計從可插拔向CPO的轉(zhuǎn)變將在未來5年內(nèi)發(fā)生，用來支持新的51.2Tbps交換節(jié)點。此外博通2021年1月發(fā)布系列支持CPO技術的下一代交換ASIC芯片概念。首款25.6Tb Humboldt芯片預計在2022年年底推出，51.2Tbps芯片Bailly則在一年后發(fā)布。

在電信市場，相干調(diào)制以及合分波器件的高度集成化，透鏡等分立元件數(shù)大量減少，同時可采用非氣密BGA接口，封裝尺寸小，成本低。硅光集成芯片規(guī)模商用，有望使相干技術降低成本進而下沉到核心與匯聚層。

電信領域的典型硅光產(chǎn)品，如Acacia在今年OFC推出的新的100G/200G CFP2-DCO ZR，以及下一代低功率100G CFP-DCO ZR，采用專有DSP和硅光技術的低功耗高集成設計，滿足網(wǎng)絡接入、邊緣和企業(yè)園區(qū)應用容量增長需求。

中國信通院重視硅光集成技術發(fā)展，已經(jīng)成立了5G光電子公共服務平臺，平臺依托工信部產(chǎn)業(yè)技術基礎公共服務平臺國家專項，助推硅光市場體系化發(fā)展。

計算領域：硅光互連硅光計算嶄露頭角

在計算領域，硅光可用于光互連。傳統(tǒng)服務器架構(gòu)面臨分解，包括通用/專用計算、AI/ML、HPC和數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)的各資源池相互解耦，并通過高達Pb/s接口連接，互連開始主導成本和功耗，這為集成硅光I/O創(chuàng)造了巨大驅(qū)動力。

趙文玉介紹，超過112Gb/s的SerDes極具挑戰(zhàn)，因為板級銅互連損耗使得傳輸距離難以超過幾厘米，帶寬與距離矛盾嚴重，需要進行平衡。集成光學器件或可解決這一問題，處理器到存儲器之間建立高速光連接，并可利用多種復用方式進一步提升帶寬，目前相關方案已得到初步應用。

再就是硅光經(jīng)典計算。光計算是利用光的物理性質(zhì)進行大容量信息處理的光學運算技術，具備低延遲、高帶寬、低能耗等固有優(yōu)勢。廣義的光計算是將光作為計算系統(tǒng)的組成部分，狹義的光計算是指在光域?qū)崿F(xiàn)信息處理和邏輯運算。

受限于分立光計算系統(tǒng)體積大、兼容性差等問題，光計算核心器件趨向于集成化、小型化方向發(fā)展，滿足光計算發(fā)展需求。硅基光電子因其發(fā)展相對成熟、器件種類豐富、工藝兼容等優(yōu)勢，成為集成光計算系統(tǒng)的主要技術。

光經(jīng)典計算目前產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，歐美有五家較為典型的初創(chuàng)企業(yè)將高校研究成果轉(zhuǎn)化，形成以光計算為核心的主營業(yè)務。 其中Lightmatter采用硅光方案。隨著應用需求和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的逐漸完善，預計光計算可初步實現(xiàn)相對電計算的性能和成本優(yōu)勢，在部分專用市場中形成產(chǎn)品競爭力。

國內(nèi)已涌現(xiàn)出曦智科技、光子算數(shù)等行業(yè)領先企業(yè)。從時間線上看，我國硅光計算產(chǎn)業(yè)從研發(fā)、測試到推出產(chǎn)品等環(huán)節(jié)，時間線幾乎與國際時間持平。部分芯片設計、加工、測試等全流程均可在國內(nèi)完成。

硅光經(jīng)典計算目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍然處于早期階段，商用產(chǎn)品非常有限。不過科研與市場活躍度呈現(xiàn)增長趨勢，未來將有更多企業(yè)和科研機構(gòu)加入。

此外還有硅光量子計算。光量子計算使用光子來編碼量子比特，以光子的偏振自由度、角動量等作為量子比特的變化量測對象，利用集成光量子芯片來實現(xiàn)量子糾纏光源、量子糾纏門、量子比特測量的功能集成，實現(xiàn)對光量子信息的高效處理、計算和傳輸?shù)裙δ埽涣孔勇?、檢索、分子模擬和組合優(yōu)化等應用問題。目前已經(jīng)被認為是實現(xiàn)量子計算的重要路徑之一。

光量子計算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展取決于光量子態(tài)制備、光量子態(tài)的操縱、光量子探測，以及器件制作材料、工藝等一系列科學問題的研究進展。與硅光經(jīng)典計算相似，目前處于早期階段，科研與市場活躍度呈現(xiàn)增長趨勢。

趙文玉最后總結(jié)，硅光產(chǎn)品應用領域和參與廠商眾多，其中通信和計算為近年來討論熱點。數(shù)據(jù)中心特點適合硅光大量應用，CPO技術崛起，光子集成趨勢顯著。而在計算領域，硅光計算是使后摩爾時代計算技術突破傳統(tǒng)微電子計算極限的實際可行方案，隨著硅基光電子技術的不斷成熟，光電一體融合是必然的趨勢。

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