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数据中心网络400G硅光光模块技术方案浅谈

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高密互联需求

伴随着云业务的爆发,单个腾讯云数据中心园区规模从10w机位快速增大到30w规模,针对越来越大的100G数据中心网络集群需求,需要研发更高100G接入密度的交换机。大容量的单芯片开发简单,使用方便,一直是自研交换机ASIC芯片的首选。基于12.8T芯片的128*100G的交换机形态,和基于即将量产25.6T芯片的,最多可以设计成256*100G的交换机形态,都是核心交换机的常规形态。但是,以25.6T芯片为例,256*100G的交换机占用8RU空间,至少使用9块高速单板;单芯片做成的8RU Chassis,其背板设计非常复杂;且PAM4走线比较长,只能使用retimer芯片或者提高板材等级解决,因此8RU的256*100G Chassis不是最优选择。基于此,将25.6T芯片设计成64*400G形态,64个400G端口使用1分4 FanOut光模块,可以低成本、高可靠的实现256*100G的功能。此设计只占用2RU或者4RU空间,使用1块高速单板且无背板设计,大大降低了系统设计的复杂度和整机成本。

硅光DR4/DR1的价值

一分四Fan-out架构,要求互联光模块采用多路并行方案,而目前行业上主要分多模和单模两种多通道模块形态,以400G的模块架构以及未来100G Serdes电口速率来说,单模相比于多模,不仅传输距离更远,实际光学通道数更少。

在单模芯片的选择方面,EML和SiP各有优势,基于InP的EML较早实现单波100G传输,但良率和可靠性水平较低,对温度敏感,SiP成本低,可靠性好,易扩展。本次方案我们选择硅光而不是EML作为芯片方案,不仅仅是上述因素,而是更长远的考虑。

从方案上讲,400G DR4是400G硅光光模块的基础形态,在数据中心400G时代,既可以实现1分4的Breakout组网,与100G DR1/FR1对传,又可以替代接入侧短距离多模400G光模块互联,具备端到端成本竞争力。在单纤传输的优势下,与多波长光源封装可以轻易切换为WDM模块形态。同时数据中心光交换设备正在向着Co-PKG形态演进,多路并行硅光集成方案将会是标准的形态。

模块方案设计测试

从性能和资源两方面考虑,我们同时选择了两套硅光方案,一套方案突出封装先进性和整体性能,采用集成化的硅光引擎方案,DSP部分选用目前行业比较先进的7nm低功耗芯片;另一套突出资源和产业链,采用分离式封装的芯片国产化硅光芯片方案,硅光芯片部分性能出众,DSP则采用比较成熟的16nm芯片,因为硅光的宽温光电效应特点,两套方案都不需要TEC温度控制,相比于传统的EML方案,可实现更宽温度范围内正常工作,成本更有优势。

方案一:

该方案核心芯片为一颗采用了3D封装硅光全集成光引擎,单颗芯片同时集成了MZM,PD,Driver及TIA功能芯片,3D BGA封装的优势在于能够降低高频衰减以及优化MZM调制器的调制均衡,数字信号处理(即DSP芯片)选用一颗目前行业最先进的400G 7nm PAM4 (8:4)芯片,单颗芯片功耗<4W。

封装方面由于硅光封装和传统自由空间光学封装模板转换和需要增加隔离器空间的原因,需要进行特殊设计,因此采用定制化FA封装组件,降低耦合损耗,能够覆盖短距及长距两种规格:400G QSFP-DD DR4 (500m) ,400G QSFP-DD DR4+ (2km) 

经测试,各项指标已经超出预期,长期测试接收误码率,不开FEC下BER<10-8,BER floor可以做到10-10,  发射端眼图TDECQ指标一般调节水平<0.6dB,均衡BER后可以做到<0.5dB,表现优异,模块整体功耗实测小于8.9w,甚至优于大部分400G多模光模块水平,这也是得益于集成化PIC和7nmDSP的功耗优化。

模块第一版芯片,各硬件部分保留了优化空间,当前选择的Seed-Laser 的S.E当前只有0.3,高温下有所衰减,下一版本芯片可以优化到0.5,光电芯片功耗上预计能继续降低0.5w。M6板材SI性能还有进一步优化空间,TIA部分还有较高的衰减,优化后可以支持10km模块规格。

方案二:

该方案采用光电芯片分离封装,即各芯片间信号通过PCB及Golden Wire链接,封装形态灵活,综合良率较高,除DSP,Driver和TIA以外,Seed-Laser,SiP,SiGe-PD,FA等光学芯片部分均为国产化方案,资源可控。16nm工艺400G PAM4(8:4)DSP芯片功耗5.8w;

分离式硅光芯片,可以在较少的IO设计束缚下,单芯片设计上做出大胆的尝试,此单芯片带宽已经远远超出100Gbps/lane,目前性能可以达到200Gbps/lane,相当于同样封装密度下可以实现800G单模块输出。

 模块本体测试眼图TEDCQ<2dB,能够满足短距和长距离应用需求。

多芯片集成方案及多芯片分离方案,是硅光模块的两种基本形态,集成方案的优势在于高速性能的均衡,密度高,体积小,分离方案的优势在于光电芯片组合灵活,封装良率高,单芯片易兼容,同时开发两种技术方案,设计400G硅光模块更有利于为未来数据光互联技术提前做好应用储备。

总结

基于稳定硅系材料的硅光技术在未来高速高密度网络应用上,对稳定性将有明显的促进作用,将是未来光电合封核心部件之一。硅光模块技术研究将为未来中心网络的高性能运行和稳定运营起到重要作用。

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原始发表时间:2019-12-31

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