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  • 硅光器件与超算和数据中心

  • 2020-04-24
  • 数据中心跨入100G、400G


    近年来,随着大数据、云计算、5G、物联网及人工智能等应用市场的快速发展,全球的数据流量在飞速增长,对数据中心数据的传输提出了更高的要求。全球网络的数据中心传输速率也已从原先的10G、25G向100G、400G跨入。Amazon、Google等云巨头从2017下半年已全面启用100G光模块方案,国内阿里巴巴也已经开始规模部署,明年400G光模块将开始大规模部署。从行业来看,数据中心网络流量基本每一、两年翻一番,光模块技术每3-4年就更新换代一次。


    光通信器件在超算中的应用不断增加


    同时,与商业市场数据中心云计算相对应的,由政府主导的超级计算机也一直在发展,目前已经迈进E级机系列。在高性能计算中,也会有海量的数据需要传输。在全球top500的超级计算机排行榜上,超过70%采用了以色列mellanox公司的具有高吞吐量和低延时特点的InfiniBand (IB)技术。随着人工智能和云计算的发展,mellanox也推出了相应的超高性能IB数据互联产品。在这两种分别应用于高层网络通信的以太网技术和低层的服务器端输入/输出IB技术中,光电子元器件,芯片以及模块都扮演者重要角色。


    InfiniBand的互连接口已经在从过去的铜缆互连逐渐过渡到以VCSEL激光器为主的并行光互连技术,而以太网的数据传输更是依靠各类光通信器件,从最开始的光信号产生调制到通过管线传输光信号,经过光放大器处理,最后被光电探测器接受。


    英特尔硅光收发器达到400G


    相比传统的InP基光子技术平台,与CMOS兼容的硅光自出现就受到国内外巨头的关注。国际上目前具备硅光芯片研发能力的包括Intel、Luxtera、Rockley等。Intel的硅光芯片主要针对5G无线基础设施市场,其100G硅光收发器产品组合为满足下一代通信基础设施的带宽要求而优化,同时可承受恶劣的环境条件。2019年4月,Intel展示了其基于硅光的400G光模块,封装形式为QSFP-DD。


    欧美正构建更高的竞争壁垒


    相比对光芯片依赖更多的高层网络通信的以太网技术,IB技术的形势也非常严峻。就在4月17日,Nvidia收购Mellanox获中国监管批准。也就是说,Nvidia的云端人工智能的生态和Mellanox云端人工智能核心技术结合到一起,构筑了更加高的竞争壁垒,也意味着欧美半导体公司在云端计算领域正在加快进步的步伐。


    我对外依存度高


    事实上,在芯片、有源器件、无源器件、光模块四类光通信器件中,有源光收发模块在光通信器件中占据超过50%的份额。依据工信部2017年12月发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图(2018-2020年)》(全文可参阅文末原文链接),以近年来在网络中大规模部署的高端100G光通信系统为例,其中的可调谐窄线宽激光器、相干光发射/接收芯片、电跨阻放大芯片、高速数模模数转换芯片、DSP芯片均依赖进口。


    而对于硅光子芯片,国内只有少数供应商涉足10Gb/s以上的产品,25Gb/s还处在送样阶段。尽管这两年来国内在硅光芯片上也取得了突破性进展:自主研发的首款商用“100G硅光收发芯片”已经投产使用;2019年阿里巴巴也研制成功基于硅光技术的400GDR4光模块。然而,如果考虑到光子芯片流片加工,这些成就背后又有多少技术是我们必须依赖国外的。


    唯有砥砺前行


    从常规行业竞争来说,目前正是硅光产业和人工智能技术爆发的黎明前,各类技术平台还不是很成熟,硅光源的问题依然没有得彻底到解决,摩尔定律也在越来越逼近极限。然而,最近国外有关六角硅锗和锗锡合金的硅光源进展,以及采用碳纳米管制成的芯片等成就,迫使我们意识到一旦国外突破某一类技术,就会形成很高的技术壁垒。就意味着在未来技术高速发展时期,我们和国外的技术差距会越来越大,再想追赶会付出更大努力。


    从非常规竞争的角度考虑,一旦因为政治原因我们无法使用这些技术,国内公司又无法填补空白,这将对以人工智能为代表的新基建造成无可估量的损失。考虑到这些年发生的事件:15年禁售超算至强(XEON)芯片,2018年的中兴制裁,2019年的华为制裁,这种担忧并不是杞人忧天。结合当下的疫情和国际舆论,我们必须未雨绸缪,并持续坚定地推进光子芯片的研发。


    国产芯片

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