大數(shù)據(jù)時代的核心：超高速短距離光互聯(lián)

大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)來臨

大數(shù)據(jù)在前幾年還是一個帶有科幻色彩的時髦名詞，近年來隨著云計(jì)算、虛擬化、高清視頻、電子商務(wù)、社交網(wǎng)絡(luò)以及飛速發(fā)展的高速無線網(wǎng)絡(luò)等等各種新興業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，當(dāng)初的預(yù)言已經(jīng)逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。據(jù)Cisco Visual Networking Index(可視網(wǎng)絡(luò)指數(shù)，簡稱VNI)預(yù)測，全球互聯(lián)網(wǎng)總流量將在2016年跨過1ZB大關(guān)，并將在2019年再翻一倍。IEEE稱，網(wǎng)絡(luò)需要支持帶寬平均需求每年以58%的增長率遞增。用戶數(shù)量、訪問技術(shù)、接入速度以及視頻點(diǎn)播和社交媒體等服務(wù)增長的同時將推動帶寬的需求。

圖1 近幾年流量增長圖(數(shù)據(jù)來源:Cisco VNI)

云計(jì)算的部署，更加速了業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。海量的數(shù)據(jù)在不斷的交互。更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)中心、更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬是實(shí)現(xiàn)這一切的物理基礎(chǔ)。云計(jì)算廣泛采用虛擬化技術(shù)來進(jìn)行計(jì)算資源的調(diào)度服務(wù)，同時服務(wù)器多核技術(shù)迅速發(fā)展，服務(wù)器的網(wǎng)卡進(jìn)一步向高速萬兆接口演進(jìn)，使得云計(jì)算在服務(wù)器接入的IO處理層面不僅帶寬擴(kuò)大，而且流量激增;同時，用戶對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和速度的要求也在不斷提高。使得向100G帶寬過渡、并繼續(xù)提出高密40G/100G端口的挑戰(zhàn)需求是大勢所趨。在此趨勢下, 標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu),基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備商與運(yùn)營商開始加速研發(fā)與部署新一代互聯(lián)網(wǎng)——即40G/100G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

圖2 802.3ba時間表

目前，包括IEEE的多個光互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)組織已為40G/100G制定了一整套規(guī)范。與標(biāo)準(zhǔn)制定幾乎同時進(jìn)行，設(shè)備商目前已經(jīng)推出了40G/100G的產(chǎn)品或者升級方案。比較有代表性的有：中興的ZXWM M920骨干OTN產(chǎn)品，H3C的SR8800-X系列，CR16000系列，阿朗的XRS 7950系列，Cisco的CRS-3系列，華為的LPUF-200等等。

新一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的物理層傳輸媒介

如下表所示，新一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的物理層有背板、銅纜和光纖等多種傳輸媒介。

表1 40G/100G物理層媒介

短距離通信互聯(lián)的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)

伴隨著整個網(wǎng)絡(luò)飛速的發(fā)展，高帶寬的需求使得短距互聯(lián)成了系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。數(shù)據(jù)顯示，80%的流量是發(fā)生在數(shù)據(jù)中心的機(jī)房內(nèi)，也就是交換機(jī),防火墻,路由器這些設(shè)備之間。這種機(jī)房內(nèi)的通信一般稱之為短距離互聯(lián)(Short Reach Interconnection)或者甚短距離互聯(lián)(Very Short Reach Interconnection)。

圖3 幾種短距離互聯(lián)方式

光通信得到大規(guī)模應(yīng)用之前，短距離通信一般使用銅纜進(jìn)行電互聯(lián)。受損耗和串?dāng)_等因素的影響，基于銅線的電互聯(lián)的高帶寬情況下的傳輸距離受到了限制，成本也隨之上升。而且過多的電纜也會增加系統(tǒng)的重量和布線的復(fù)雜度。電互聯(lián)傳輸帶寬小、時延大、高速信號之間串?dāng)_大、功耗大等缺點(diǎn)，已經(jīng)成為電互聯(lián)進(jìn)一步發(fā)展的巨大障礙。與電互聯(lián)相比，基于多模光纖的光互聯(lián)具有高帶寬、低損耗、無串?dāng)_和匹配及電磁兼容等問題，而開始廣泛地應(yīng)用于機(jī)柜間、框架間和板間的高速互聯(lián)。光互聯(lián)作為一種新的互聯(lián)方式，具有極高的通信帶寬，極小的功耗，能夠很好地解決電互聯(lián)發(fā)展受限的問題。

在短距離通信中,光互聯(lián)相比于電通信,有顯著優(yōu)點(diǎn)：

· 單位功耗明顯低于電通信

· 低失真, 低串?dāng)_

· 總體擁有成本(Total Own Cost)低

· 升級改造便捷

· 集成度高,向前兼容性高

· 器件少，接口少

· 體系靈活度高,更加簡化

· 部署靈活

· 模塊化程度高

· 尺寸小，密度高

據(jù)調(diào)查，光互聯(lián)的發(fā)展將在未來的五年內(nèi)由機(jī)架間向板間互聯(lián)普及，十年內(nèi)成本也會接近甚至低于電互聯(lián)。

圖4 容量為10 Tbps的電和光互聯(lián)功耗對比

對于如何規(guī)范、加速板間以及芯片間的通信，國際機(jī)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)制定上也做了很多工作。之前已經(jīng)有了一個標(biāo)準(zhǔn)802.3ap針對此問題，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心的基于機(jī)箱的模塊化平臺中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商如何在背板最遠(yuǎn)1米的范圍內(nèi)進(jìn)行千兆和萬兆以太網(wǎng)的傳輸。新一代互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定以來,為適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，IEEE又制定了802.3bj來對高速網(wǎng)絡(luò)的短距離通信進(jìn)行規(guī)范。除此之外, 802.3ba定義的CAUI-10, 802.3bm定義的CAUI-4也對芯片至芯片, 芯片至模塊接口也是短距離通信的規(guī)范。

光互聯(lián)所用的基礎(chǔ)技術(shù)-激光

光互聯(lián)從光源大致分為兩種: 有源(Active optical network, AON)/無源(Passive optical network, PON)。所謂有源,就是在數(shù)據(jù)的傳輸過程中加入若干有源的中繼,用單獨(dú)的光纖牽到終端.而無源則只使用分光器,僅僅需要在數(shù)據(jù)的源頭與接收端使用光源與電源。日常所見的EPON,GPON都是無源通信。

光源類型有三種: LED，EEL(Edge emitting Laser)，VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)。其中LED是自發(fā)輻射，EEL與VCSEL是兩種激光光源。多模光纖可以使用LED,單模光纖必須使用激光。由于VCSEL相對于EEL的顯著優(yōu)勢，是現(xiàn)在的發(fā)展趨勢。

與LED類似,VCSEL是從晶圓的表面發(fā)射光.而EEL從邊緣發(fā)射。

除了生產(chǎn)與成本上的優(yōu)點(diǎn), VCSEL相對于LED與EEL還有如下優(yōu)點(diǎn)：

· 溫漂小

· 低門限電流(用TTL電平即可驅(qū)動,放大器設(shè)計(jì)大大簡化,功耗降低

· 垂直表面發(fā)射,光路耦合性能提高

· 易于集成,封裝

· 高速(上升下降在100ps級別)

表2 三種光源參數(shù)對比

領(lǐng)先的光學(xué)半導(dǎo)體器件商MACOM近日推出新器件MALD-37345，MATA-37344。其中MALD-37345為4組帶有輸入均衡器的28G VCSEL驅(qū)動，MATA-37344為一個28G的跨阻放大器。這個系列與前面的一個系列(MALD-37045/MATA-37044)兼容，由于可以省去外接CDR，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時的成本功耗實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步降低。這個產(chǎn)品組合主要面向板級光互聯(lián)與短距離互聯(lián)，也可以用在光收發(fā)器與有源光互聯(lián)領(lǐng)域。

下圖是一個VCSEL用于數(shù)據(jù)中心短距離通信的示例，關(guān)鍵器件有VCSEL驅(qū)動器、CDR、TIA、激光源和激光接收二極管等等。

圖5 VCSEL用于短距離通信示例

高速光信號的傳輸過程中由于不帶時鐘信號，會產(chǎn)生相位偏移。CDR是用來補(bǔ)償光路中的相位偏移的。

圖6 典型的時鐘恢復(fù)電路

TIA是用來補(bǔ)償傳輸中的幅度衰減的。TIA是放大器類型的一種。光電傳輸通訊系統(tǒng)中跨阻放大器的作用是將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，用于接收光電二極管從光纖感應(yīng)的弱電流并且進(jìn)行一定強(qiáng)度低噪聲放大。其工作原理是：PIN的光敏面受探測光照射時，由于PN結(jié)處于反向偏置，光生載流子在電場的作用下產(chǎn)生漂移，在外電路產(chǎn)生光電流;光電流通過跨阻放大器放大輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了光信號轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)而將電信號初步放大的功能。在光互聯(lián)系統(tǒng)中，OSNR(信號和噪聲的比值)是衡量整個系統(tǒng)傳輸性能的重要指標(biāo)之一。TIA能將電信號進(jìn)行一定強(qiáng)度的低噪放大。信號在經(jīng)過光纖傳輸后，光功率和色散必然在一定程度上有所衰減，光放大器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號來進(jìn)行放大處理時，TIA能有效地抑制噪聲信號的放大。

圖7 典型的TIA電路

另外，在硅光子集成高速光互聯(lián)解決方案上，MACOM的MAOP-L284CN：將激光器集成在硅光子集成電路(L-PIC™)中，包括四個高帶寬Mach-Zehnder調(diào)制器，與四個CWDM O band激光器和一個CWDM多路復(fù)用器集成在一起，每個信道支持高達(dá)28 Gb/s。L-PIC工作在標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖上，MACOM也提供集成了CDR的MASC-37053A調(diào)制器驅(qū)動器，與L-PIC匹配合作實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)化的性能和功耗，適用于100G CWDM4和CLR4高速傳輸解決方案。