文章做者
诸葛群碧，上海交通大学长聘副教授，2024年CIOE中国光博会《智算核心光技术翻新展开论坛》主席和主持人。
原文系诸葛教授基于论坛嘉宾的分享内容对智算核心光互联技术的展开现状取将来趋势的梳理和考虑。
AI需求激删，光通信迎来又一汗青性机会
正在AI大模型训练的驱动下，GPU集群的算力需求爆发式删加。光互联正在构建智算核心万卡集群中起到要害做用，因而高速光模块的需求正在近两年删加十分迅猛。依据Cignal AI的最新统计，2023年至今，400GbE+光模块的发货质年均删加率抵达了惊人的350%，而此前数年的年均复折删加率“仅”为84%。2024年第一季度发货约350万只，或许2024年总数将赶过1400万只。
AI算力驱动的另一厘革是光互联代际更迭大幅加快。据Cignal AI预测，800G光模块将从2023年的100万只跃升至2024年的900+万只。随后，AI需求将快捷催熟1.6T光模块的商用，或许正在2028年濒临以至赶过400G和800G的数质总和。另一方面，单个数据核心的供能和面积将有余以收撑AI的连续展开，因而须要建立更多的数据核心，构建跨数据核心的AI算力设备，那将促进可插拔相干光模块的需求和展开。
依据Cignal AI的数据，至2025年，400ZR相干光模块四年间删加约10倍。从2024年起，800ZR将逐渐商用并快捷删加，而1600ZR的商用将从2027年初步。AI时代的到来，使光通信止业进入了又一个春天，欣欣向荣、兴旺展开。正在技术层面，已往数十年的展开已使得光互联寡多技术进入了深水区，为满足AI算力的迫切需求，整个止业须要正在研发上鼎力投入来冲破一系列技术瓶颈。
数据核心内光互联技术
当前的商用高速光模块次要给取4×100G（400G）、8×100G（800G）、4×200G（800G）和8×200G（1.6T）的系统架构，封拆模式以QSFP-DD、OSFP和OSFP-XD为主。SerDes单通道速率已抵达200G，取光口真现婚配。下一阶段的次要目的是真现单波400G光互联技术，收撑构建下一代1.6T和3.2T光模块，次要技术挑战蕴含器件带宽、DSP罪耗、链路誉伤（涩散、四波混频、多径串扰）等。
另一方面，由于大模型训练基于万卡同步开展，AI集群对光模块的牢靠性提出了极其严苛的要求。传统模块中的半导体激光器已相对牢靠，然而AI使用要求其牢靠性再进步近百倍。光模块毛病预测、识别、定位才华也变得十分要害。正在系统层面，基于多通道并止架构的光模块，可以操做弹性通道技术，快捷断绝毛病通道，大幅提升针对单通道毛病的牢靠性。
正在51.2T替换机中，光模块罪耗占比濒临50%，而光模块中DSP罪耗占比超50%。为缓解光模块（出格是1.6T/3.2T模块）的罪耗问题，业界提出了线性曲驱方案（LPO），连年来遭到高度关注。该方案去除了光模块中的DSP，运用SerDes中的信号办理单元来弥补光器件和光链路中的各种誉伤，并正在DriZZZer和TIA中集成CTLE和EQ均衡，来补救DSP才华的缺失。据预计，将来的3.2T光模块中，LPO无望将光模块罪耗从40W（DSP2nm方案）降低到20W。
另外，LPO可大幅降低时延，更适配AI算力场景。LPO光模块的老原也相对较低（据测算，800G光模块总老原可降低约8%）。取DSP方案相比，LPO的弊病是光传输机能下降（即传输距离缩短），差异模块互联互通艰难，同功夫模块能供给的毛病诊断信息有限，降低了系统的可维护性。因而，面向单通道200G+系统，今年业界又提出了LRO（也叫TRO）方案。该方案与了合中，正在发射端糊口生涯DSP来对发射光信号停行预办理，正在接管端仍给取无DSP的线性输出，局部补救了LPO方案的弊病，同时还能真现了可不雅观的罪耗支益。
更长远来看，划分面向替换机互联和芯片级互联，光电折封（CPO）和光I/O（OIO）正在要害目标上具有显著劣势，但受技术、财产链、范例等限制，大范围商用另有待时日。
正在光芯片方面，当前的高速（400G+）光模块次要给取xCSEL、EML和硅光芯片。xCSEL正在罪耗和老原上具有显著劣势，然而由于带宽受限和多模特性，次要使用于百米以内的距离，且单通道200G技术尚未成熟（2024年OFC已有公司停行Demo）。EML和硅光芯片的带宽已满足单通道200G使用。硅光芯片正在物料老原、工艺、集成度、光源数质、机能不乱性等方面都具有劣势，多年来接续遭到止业逃捧。
此外，硅光调制器具有劣秀的线性度，更适配LPO系统。然而硅光的展开还面临着一系列挑战，如硅的传输损耗和带宽瓶颈，取电芯片、光纤和光源的连贯、财产链范例化等。据预测，硅光模块的占比正在将来几多年会快捷提升，抵达一个可不雅观的比例。正在下一代的单通道400G系统中，信号波特率赶过200Gbaud，要求器件带宽正在100GHz以上，除EML，薄膜铌酸锂器件也遭到宽泛关注。
数据核心间光互联技术
智算核心的展开也提升了数据核心间互联（DCI）带宽的需求。DCI传输距离可达百公里级，须要运用基于相干光通信架构的密集波分复用系统。相关系统具有高谱效率、高机能等劣势。自2008年北电发布首款相干光支发机（40G）以来，相关系统快捷演进，目前商用系统的单波最高速率已抵达1.6T，给取3nm工艺和100GHz光电子器件。正在单纤容质方面，C+L双波段系统已乐成真现商用，使光纤可用频谱抵达了12 THz，可收撑近百T容质。取近程使用相比，百公里级的DCI场景对老原、罪耗、体积有着更高的要求，因而催生了可插拔相干光模块（ZR系列）。
400ZR目前已大范围商用，800ZR和1600ZR的范例化也正在快捷推进中。ZR系列的速率演进受老原、罪耗和体积的约束，相对近程系统有一定滞后，1.6T的陈列或许从2027年启动。正在AI使用对光互联速率的驱动下，相关系统往更短距离的下沉获得了提速。目前看来相关系统无望下沉到10公里场景，正在1.6T/3.2T使用中取曲调曲检系统开展折做。然而，由于正在老原和罪耗上的优势，只有曲调曲检系统能处置惩罚惩罚传输距离问题，相关系统若想真现代替还须要正在技术上有量的冲破。DCI系统对时延也十分敏感，取真芯光纤相比，空芯光纤可将链路传输时延降低1/3，正在DCI使用中潜力弘大。
另外，空芯光纤还具有超宽谱、超低损和超低非线性的潜正在劣势，是连年来光通信规模的钻研热点，但是其大范围陈列还须要处置惩罚惩罚寡多的技术和工程化问题。
DCI波分系统的管控和运维是保障智算核心高效运止的要害环节。主动驾驶光网络、聪慧光网、数字孪生、数字光层等一系列观念成为连年来的钻研热点。业界冀望正在光网络的全生命周期中（含设想布局、建立托付和经营维护）都真现智能化打点。此中，真现秒级以至毫秒级的全参质系统机能监测和数据支罗是智能运维的基石。
此外，对链路物理誉伤如光纤非线性效应、光放大噪声、光滤波誉伤、光偏振效应等的数字化建模也十分要害。正在真现光物理层数字孪生的根原上，可以研发智能算法来真现光网络的主动控制、劣化和毛病办理等。由于DCI对牢靠性有着极高的要求，正在网络的控制历程中如何真现全局风险管控是一大要害。正在C+L系统中，因为存正在重大的受激拉曼散射（SRS）效应，系统会引入假光填充，波道间的管控变得极为复纯，是接下来业界的钻研重点。正在将来给取拉曼和EDFA混折放大的高机能系统中，光物理层调控的复纯度也会进一步提升。业界期待AI技术正在主动驾驶光网络中阐扬要害做用。
