AOC：新一代数据中心高速光互连产品

大数据时代：迈进高速光互连世界

互联网和智能终端的快速应用使全球数据量爆发式增长，极大地推动了以高速 路由器，超级计算和存储为核心的高性能超算中心（HPC）和数据中心市场的发展。有源光缆产品是这些核心设备之间的主要互连方式之一, 来自CIR的有源光缆市场研究报告显示，其市场规模2012年达到7.2亿美元，预计2017年这一数字翻一倍，达到19亿美元，前景可观。

随着提供40G/100G端口的 服务器， 交换机等设备在数据中心的逐步规模商用，对于高速光互连产品的需求也越来越多，当前国内器件厂商不断研发和创新光互连技术，对高速集成并行光学模块和高频信号完整性技术进行深入理解和研究。光互连产品的关键需求在于高速率、高密度、低成本、低功耗。目前市场主流高速光互连产品包括10Gbps SFP+ AOC、40Gbps QSFP+AOC、56G QSFP+AOC 和120Gbps CXP AOC等。

高速光互连技术的显著优势和应用

数据中心/ 云计算系统在更高带宽和更低功耗上的需求越来越迫切，AOC有源光缆是满足此需求的最优解决方案之一。AOC有源光缆与互联铜缆相比拥有许多显著的优势，比如在系统链路上的传输功率更低，重量仅为直连铜缆四分之一，体积略为铜缆的一半，并且在机房布线系统中具有更好的空气流动散热性，光缆的弯折半径比铜缆做得更小，传输距离更远（可以达到100～300米），且产品传输性能的误码率也更优，BER可以达到10^-15。与光收发模块相比，AOC有源光缆由于存在不外露的光接口，不存在光接口清洁和被污染的问题，系统稳定性和可靠性大大提升，并且降低机房维护成本。

高速光互连产品40Gbps QSFP+ AOC 和120Gbps CXP AOC不再采纳传统可插拔收发器中TOSA/ROSA的结构设计，而使用高度集成的阵列光引擎核心器件技术。

在PCBA上采用COB（Chip on Board）集成技术，实现一体化模式—封装小、速率高、功耗低（QSFP+功耗低于1.5W，CXP功耗低于2.5W）。在发射端，阵列光学引擎同时处理多个高速电通道，将其转换为多路光信号，再将这些光信号组合在一起，通过一条12芯（24芯）MPO高密度光缆将这些信息传送到云计算系统或数据中心机房的下一个节点。在接收端，阵列光学引擎将MPO光缆内的光信号转换回电信号，将多路电信号传送至设备上处理. 这些产品完全适用infiniband互联应用场景，同时符合以太网IEEE 802.3ba。在数据中心和云计算系统领域，阵列光学引擎技术已经广泛应用于有源光缆产品—服务器和交换机之间互联。但是光学引擎技术也面临很大的挑战，核心的激光器被少数国际大厂商垄断，价格不菲，且激光器的驱动和限幅放大芯片之间焊接技术也影响着制成效率，制约着国内厂商大幅推广。基于这些原因，一体化集成的硅光子技术是未来光互连技术的发展趋势—将整个光学引擎整合在硅晶平台上，集成所有必要的功能，实现更低成本，更简单的制成工艺，建立起更高密度的光传输系统。

同样，高度集成的阵列光引擎会产生大量集中的热量，因此良好的散热能力是光器件厂商结构设计的难点之一。根据热力学理论，散热效果主要取决于散热介质的热传导系数和与外壳的接触面积，散热通道距离以及材料热阻。性能优异的散热设计应该满足3个要求：散热介质的热传导系数高（例如热传导系数高的钨铜，260W/mK），散热介质最大横截面与外壳的直接接触、紧密结合，散热通道做到最短垂直距离传导热能，可以使产品长期稳定地工作在0～70度环境。易飞扬基于钨铜热沉工艺的散热设计，将激光器芯片、驱动芯片、接收光电二极管芯片等核心芯片直接与外壳充分接触，达到最佳的散热效率。基于CAE 软件进行热力模拟验证，在以上3个方面达到理想效果。

随着云计算和数据中心大幅度增长，并行光学模块的多通道测试成本和效率面临严峻的考验。多通道并行传输测试平台可以简单的理解为4套（QSFP+产品）或者12套（CXP产品）独立的10G测试系统的总和，意味着研发前期需要投入大量的资金，且提高了进入高速光互连市场的门槛。因而，具有高效、简易、低成本等特点的高集成度的多通道测试平台是衡量国内外厂商是否能够真正迈进光互连阵营的关键因素，整套集成系统会大幅度缩短产品测试周期，可以提升产品品质，并且提高设备资源和空间的利用率。易飞扬自主研制了120G误码测试仪，与同类单通道国际知名品牌10G误码仪做GRR相关性和重复性的验证，灵敏度GRR达到小于0.3，符合硬件认证要求。

在数据中心机房中，提供各种高速光通信端口的设备（服务器、交换机和HBA等）之间需要通过线缆连接在一起，共同运作。那么如何解决任意两种设备的互连呢？比如10G SFP+和40G QSFP+的设备。有源光缆QSFP+转4个SFP+AOC的光互连产品成为实现和解决QSFP+和SFP+设备互连的最佳方案。QSFP+转4×SFP+高速有源光缆产品，一端是40Gbps的QSFP+接口，另一端是4个10Gbps SFP+接口，中间通过12芯的MPO高密度光缆连接，然后根据客户对于两端线缆长度的需求，在MPO线缆中间加入分支器，实现一路40G光信号分为4路10G信号。光缆一端采用40G QSFP连接头，符合SFF-8436要求；另一端采用4路10G SFP+连接头，符合SFF-8432要求，是最经济简单的实现交换机端口转换。传输长度达到1～100米的，对于分支器两端的光缆长度可以自由选择。同理，120G CXP转3个40G QSFP+的互连产品可以解决CXP和QSFP设备互连的问题，需要提出的是中间通过24芯的MPO高密度光缆扇出3条4芯的产品，完成完美转接。

结束语

光互连产品的显著优势使其成为数据中心集成商，设备商关注的重点，光互连产品大规模部署开始成为全球大数据，大密度、大容量数据中心和云计算的共同发展趋势。

国外主要的有源光缆厂商Avago、FCI、Finisar、Mellanox、Molex、Siemon、Sumitomo、TE Connectivity和Volex，已经大规模推进有源光缆SFP+AOC、QSFP+AOC、CXP AOC的整体解决方案。

国内光互连还处于初级发展阶段，研发技术和工艺的还不够成熟，国内极少光器件厂商能够拥有一条完整的光互连产品线。深圳易飞扬是国内最早进入光互连产品商业化的公司，自2010年起，易飞扬开始对光互连产品的基础技术与工艺平台进行深入细致的研究，通过3年的努力，终于建成了一条半自动化的光互连产品线，用于多模40/100G光模块和有源光缆（AOC）的生产。易飞扬在2011年已经率先开发40GE QSFP+AOC模块，陆续小批量供应海外市场，至2013年伊始已开始在国内规模布署10G和40G有源光缆，当前已经能小批量提供56G QSFP+AOC和120G CXP高集成，高密度、低功耗、低成本产品。相信国内厂商将在未来的数据中心与云计算舞台上逐步发挥出更大的价值。