对外 腾讯孙敏 数据中心视角下的光器件技术发展的机遇、挑战和未来(对外)
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数据中心视角下的光器件技 术发展的机遇、挑战与未来
腾讯网络架构中心
孙敏
目录： • 腾讯数据中心光模块需求及应用 • 数据中心光器件应用问题及质量要求 • 数据中心光模块核心部件应用分析 • 数据中心光模块未来------400G+ • 结束语
社交网络
数据中心支撑腾讯核心业务
娱乐平台
新闻资讯
金融支付
AOC、DAC/ACC
VCSEL
资源
VCSEL资源及应用
应用
激光加工，打印机， 传感器（鼠标，手 机），照明等
通信市场
• 带宽要求； • 工作稳定要求； • 可靠性要求；
消费电子产品 市场
VCSEL BASED SR8 VS SR4.2
底层芯片成熟度， 供应链健全：
SR8
全链路，短中长 期成本对比
数据中心光链接
架构形态变化
架构1
架构2
架构3
架构4
器件形态变化
模块1
模块2
模块3
模块4
底层芯片应用
光
电
数据中心光链接
DCI
DW
EML、SiP
Switch to Router
CW、LW
DML、EML、SiP
Switch to Swenku.baidu.comitch
SR、SW、PSM
VCSEL、DML、SiP
Server to Switch
400G时代的硅光
在有和无的问题上，硅光优势体现 占据重要位置，但仍然需要与传统InP方案竞争 与100G相比，仍然需要解决光源，封装，调制速率等问题
产业链需要更加成熟和完善
电芯片的角色
技术重要性
➢ 结合信号优化算法的电芯片技术， 在高速数据中心互联中，起到越 来越重要的作用
Power per Cable (W)
IMEC流片周期6~8个月； IME流片周期5~6个月；
硅光封装技术门槛高
• 芯片电I/O设计经验 欠缺，大都只关心芯 片内部功能性设计；
• 芯片光I/O多采用标 准PDK，光源难以集 成，光纤难以耦合；
• 与现有封装技术及设 备不兼容；
100G 与传统DML方 案对比无明显优势
• 以CWDM4为例，硅 光模块内部架构并未 简化；
From Prof. Anderson
From Prof. Koyama
EEL应用分析
数据中心内部，EEL应用变化：
➢ 25G时代，EML应用首先出现； ➢ 25G时代，DML一直“追赶”着
EML； ➢ 50G时代，DML将会到达瓶颈期；
25G
50G
EEL应用分析
➢ 400G 时代，EML已经能够满足 数据中心应用，并且将会迎来 大规模EML应用
• CW Uncool • 功耗 • 成本
• EML可靠性
➢ 400G+时代，EML应该理解为外 腔调制激光器，还将发货重要作 用
From Broadcom
数据中心的发展推动硅光应用
资源？ 良率？
资源？封 装成本？
CMOS Si材料，
兼容
低成本
硅光优势？
有源& 小型化 无源
光源，隔 离器？
什么场景？
数据中心光模块应用及演进趋势
40G-LR4
100G-CWDM4
400G-FR4/LR4
40G-LR4
100G-CWDM4
400G-FR4
40G-eSR4
CAT 6A
10G Based
IDC V5.0
（2013 ~ 2019）
100G-SR4
25G-AOC
25G Based
IDC V6.0
（2017 ~ 2021）
传送、波分 （量小，高速，长距）
无线 （量大，低速，工业级应用，
低成本）
接入 （量大，低速，成本极低）
数据中心 （量大，高速，高密，应用环
境好）
发展缓慢的100G硅光
硅光芯片可获取量 产化foundry资源少
• 成熟CMOS foundry， 资源不对外开放，或 没有硅光流片经验
• 常规硅光 foundry流 片周期长，工艺不稳 定
技术挑战
➢ 随着速率的提升，芯片功耗 剧增
35
OSFP
30
30W
25
24W
20
QSFP-DD
15
10
5
1G
10G
100G 400G 800G
Data Rate (Gbps)
➢ 多种复用技术应用 波分复用
400G+
➢ 相干传输下沉
传输速率
幅度调制
频分复用
光器件速率提升
相干传输 非相干传输
空分复用
模分复用
移动应用
超大规模网络设施，支撑腾讯多样化海量业务
数据中心网络 骨干网 边缘网络 光网络 云虚拟网络 …
腾讯网络架构中心
数据中心带宽需求增长与光模块需求增长
Campus Campus Building Rack
Tier1 Border StaTgieer13 STtaTiegiere2r12 StaTgieer11
光、电封装技术 成熟，专利规避
问题
SR4.2
数据中心布局
模块光电性能， 可靠性
VCSEL的未来
传统VCSEL方案的挑战
更高速率VCSEL路在何方
激光器 速率
氧化孔 直径
10G 9~10um
25G
50G
（PAM4）
7~8um 6~7um
➢ 随着速率的提升，氧化孔 直径越来越小，严重影响 VCSEL的良率和可靠性！
老二、三、四、五：送往云南，办公室工作人员 生病，还能坚持 在工作岗位上
3. 预测模块将会失效，比光模 块寿命预估更重要
2. 寿命是多 种因素的结 果，是光模 块的 本征特 性！
老大： 夭折
在途
老二： 旅途劳顿， 刚工作就 死了
老三： 频繁生病， 死在工作岗 位上
老四： 一切正常， 安逸离开
狭义应用 广义应用 1. 数据中心应用是广义的应用
传输距离
结束语
➢ 数据中心对光器件的需求仍在持续增长，并会趋于合理化； ➢ 光器件在数据中心稳定应用，需要产业的持续进步和创新；
400G-SR8/SR4.2
100G-AOC
100G Based
IDC V7.0
（2019 ~？）
数据中心光器件/模块应用的挑战
需求
• 大流量，高带宽 • 最新的光器件技术
VS
• 数据传输安全稳定 • 成熟稳定的光器件技术
数据中心光模块可靠应用的需要澄清的几个问题
老六、七：送往非洲，户外体力劳动者
腾讯网络架构中心
孙敏
目录： • 腾讯数据中心光模块需求及应用 • 数据中心光器件应用问题及质量要求 • 数据中心光模块核心部件应用分析 • 数据中心光模块未来------400G+ • 结束语
社交网络
数据中心支撑腾讯核心业务
娱乐平台
新闻资讯
金融支付
AOC、DAC/ACC
VCSEL
资源
VCSEL资源及应用
应用
激光加工，打印机， 传感器（鼠标，手 机），照明等
通信市场
• 带宽要求； • 工作稳定要求； • 可靠性要求；
消费电子产品 市场
VCSEL BASED SR8 VS SR4.2
底层芯片成熟度， 供应链健全：
SR8
全链路，短中长 期成本对比
数据中心光链接
架构形态变化
架构1
架构2
架构3
架构4
器件形态变化
模块1
模块2
模块3
模块4
底层芯片应用
光
电
数据中心光链接
DCI
DW
EML、SiP
Switch to Router
CW、LW
DML、EML、SiP
Switch to Swenku.baidu.comitch
SR、SW、PSM
VCSEL、DML、SiP
Server to Switch
400G时代的硅光
在有和无的问题上，硅光优势体现 占据重要位置，但仍然需要与传统InP方案竞争 与100G相比，仍然需要解决光源，封装，调制速率等问题
产业链需要更加成熟和完善
电芯片的角色
技术重要性
➢ 结合信号优化算法的电芯片技术， 在高速数据中心互联中，起到越 来越重要的作用
Power per Cable (W)
IMEC流片周期6~8个月； IME流片周期5~6个月；
硅光封装技术门槛高
• 芯片电I/O设计经验 欠缺，大都只关心芯 片内部功能性设计；
• 芯片光I/O多采用标 准PDK，光源难以集 成，光纤难以耦合；
• 与现有封装技术及设 备不兼容；
100G 与传统DML方 案对比无明显优势
• 以CWDM4为例，硅 光模块内部架构并未 简化；
From Prof. Anderson
From Prof. Koyama
EEL应用分析
数据中心内部，EEL应用变化：
➢ 25G时代，EML应用首先出现； ➢ 25G时代，DML一直“追赶”着
EML； ➢ 50G时代，DML将会到达瓶颈期；
25G
50G
EEL应用分析
➢ 400G 时代，EML已经能够满足 数据中心应用，并且将会迎来 大规模EML应用
• CW Uncool • 功耗 • 成本
• EML可靠性
➢ 400G+时代，EML应该理解为外 腔调制激光器，还将发货重要作 用
From Broadcom
数据中心的发展推动硅光应用
资源？ 良率？
资源？封 装成本？
CMOS Si材料，
兼容
低成本
硅光优势？
有源& 小型化 无源
光源，隔 离器？
什么场景？
数据中心光模块应用及演进趋势
40G-LR4
100G-CWDM4
400G-FR4/LR4
40G-LR4
100G-CWDM4
400G-FR4
40G-eSR4
CAT 6A
10G Based
IDC V5.0
（2013 ~ 2019）
100G-SR4
25G-AOC
25G Based
IDC V6.0
（2017 ~ 2021）
传送、波分 （量小，高速，长距）
无线 （量大，低速，工业级应用，
低成本）
接入 （量大，低速，成本极低）
数据中心 （量大，高速，高密，应用环
境好）
发展缓慢的100G硅光
硅光芯片可获取量 产化foundry资源少
• 成熟CMOS foundry， 资源不对外开放，或 没有硅光流片经验
• 常规硅光 foundry流 片周期长，工艺不稳 定
技术挑战
➢ 随着速率的提升，芯片功耗 剧增
35
OSFP
30
30W
25
24W
20
QSFP-DD
15
10
5
1G
10G
100G 400G 800G
Data Rate (Gbps)
➢ 多种复用技术应用 波分复用
400G+
➢ 相干传输下沉
传输速率
幅度调制
频分复用
光器件速率提升
相干传输 非相干传输
空分复用
模分复用
移动应用
超大规模网络设施，支撑腾讯多样化海量业务
数据中心网络 骨干网 边缘网络 光网络 云虚拟网络 …
腾讯网络架构中心
数据中心带宽需求增长与光模块需求增长
Campus Campus Building Rack
Tier1 Border StaTgieer13 STtaTiegiere2r12 StaTgieer11
光、电封装技术 成熟，专利规避
问题
SR4.2
数据中心布局
模块光电性能， 可靠性
VCSEL的未来
传统VCSEL方案的挑战
更高速率VCSEL路在何方
激光器 速率
氧化孔 直径
10G 9~10um
25G
50G
（PAM4）
7~8um 6~7um
➢ 随着速率的提升，氧化孔 直径越来越小，严重影响 VCSEL的良率和可靠性！
老二、三、四、五：送往云南，办公室工作人员 生病，还能坚持 在工作岗位上
3. 预测模块将会失效，比光模 块寿命预估更重要
2. 寿命是多 种因素的结 果，是光模 块的 本征特 性！
老大： 夭折
在途
老二： 旅途劳顿， 刚工作就 死了
老三： 频繁生病， 死在工作岗 位上
老四： 一切正常， 安逸离开
狭义应用 广义应用 1. 数据中心应用是广义的应用
传输距离
结束语
➢ 数据中心对光器件的需求仍在持续增长，并会趋于合理化； ➢ 光器件在数据中心稳定应用，需要产业的持续进步和创新；
400G-SR8/SR4.2
100G-AOC
100G Based
IDC V7.0
（2019 ~？）
数据中心光器件/模块应用的挑战
需求
• 大流量，高带宽 • 最新的光器件技术
VS
• 数据传输安全稳定 • 成熟稳定的光器件技术
数据中心光模块可靠应用的需要澄清的几个问题
老六、七：送往非洲，户外体力劳动者