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Credo多款DSP光模組亮相 因應5G高速/頻寬需求
因應5G時代頻寬與傳輸速度等技術需求的革新，默升科技(Credo)日前針對資料中心應用及5G網路架構分別推出新品。其為資料中心網路平台推出的Dove系列，包含4款新品—Dove 100/150/200/400光通訊數位訊號處理器(DSP)；而針對5G無線通訊網路中前傳/中傳光模組應用，則推出Seagull 50晶片，進一步滿足行動網路頻寬不斷攀升的需求。上述新品也同時於近期中國深圳國際光電博覽會(CIOE)對外發布。
Dove系列四款產品針對資料中心高速傳輸應用設計
650 Group創始人兼技術分析師Chris DePuy表示，有鑑於5G網路架構中無線接取(RAN)技術的更迭，使5G網路需要更多高頻寬的前傳及中傳連接；加上5G時代聯網裝置大量增加，需要於容量、傳輸速率及傳輸距離進一步提升的傳輸系統支援。另一方面，Credo架構副總裁錢浩立也進一步表示，雲端平台營運商與此同時也需要尋找可擴展頻寬，但又兼顧低成本/功耗的光模組方案，藉此滿足下一代資料中心頻寬擴展的需求。
針對資料中心需求，本次Credo推出的新一代Dove系列四款產品，除採用PAM4 DSP架構以大幅減少晶片尺寸外，也設計可插拔模組，於減少功耗的同時可提升光模組的性能；此外，該公司的DSP技術的處理及平衡技術可適時補償光傳輸損耗，如可維持連續CTLE及DFE/FFE接收平衡，同時也相容於IEEE標準，使產品具有互通性。
另一方面，現階段5G網路針對光模組的主要訴求為低成本，藉此推動DML雷射發射器於業界採用的普及，加速光學元件發展。此類設計需能夠支援前傳的工業級運作溫度範圍，以及中傳/回傳中需較長的傳輸距離，因此該公司針對5G無線通訊網路架構推出的Seagull 50 PAM4光通訊DSP可滿足上述需求，將光元件、溫度變化及光纖傳輸過程造成的損耗及非線性效應透過補償機制，進而實現穩定可靠的高性能，且適用於資料中心及5G無線/eCPRI前傳、中傳和回傳等應用。
Seagull 50屬於雙模DSP
650 Group創始人兼技術分析師Alan Weckel對此表示，由於100/200/400G已占目前資料中心連接網路市占率一半以上，且未來也將不斷成長，成為資料中心主流訴求速率。而雲端平台營運商也正同步部署更高密度的100G網路拓撲結構，並開始投資200/400G網路，以因應網路頻寬成長的需求。由此可見，隨著網路的傳輸速率不斷提升，網路的功率密度及可擴展性已然成為光模組及交換器設計中必不可缺的標準。
資料中心需求殷切 矽光子收發器出貨量大爆發
由於矽光子收發器(Silicon Photonic Transceiver)具有比傳統光收發器更高可靠度、低成本的優勢，在經過多年研發，完成量產前的必要準備後，矽光子收發器這項技術的應用市場終於進入起飛期。據Yole最新發表的研究報告預估，2019年矽光子收發器的銷售金額已達4.8億美元，其中資料中心跟長程光通訊兩個應用分別占了3.64億與1.17億美元，但到了2025年時，僅資料中心使用的矽光子收發器市場，營收規模就可達到36億美元，其市場成長力道十分強勁。
除了資料中心跟長程光通訊之外，矽光子收發器還有其他值得注意的應用市場，包含5G通訊設備、光達等。用光通訊來實現晶片互聯，也是矽光子技術一個頗具發展潛力的應用市場。
5G應用帶動運算需求 光通訊朝400G發展
5G發展帶動網路傳輸速率提升，產業研究機構資策會MIC指出，低延遲、IoT應用、分散運算及儲存等需求持續發展，讓邊緣運算市場受到矚目，5G基礎建設布建投入日趨積極，網路設備市場規模呈成長趨勢，其中雲端服務業者購買伺服器與乙太網路交換器比重迅速提高，資料中心乙太網路主流規格轉移至100G甚至400G、800G以上技術標準也蓄勢待發。
超大規模資料中心成為400Gb規格主要驅動力，MIC認為，2019年400G的交換器產品已經開始向資料中心業者出貨，更前瞻的800G技術亦在研擬中；另外，中美貿易戰有助提高台灣交換代工業者在白牌市場的滲透率，美系電信設備業者與電信營運商將以台廠作為優先考量。
5G網路建設面臨諸多難點，因而重拾固移融合的方法，協助營運商運用固網資源打造多元網路傳輸方案，支援網路切片應用，也有助於有線光纖通訊系統的發展，且能減少建設的資本支出，共享所有網路資源。
全球營運商、設備大廠等正共同訂定5G FMC(Fixed Mobile Convergence)工作項目，並納入5G R16標準內，預計2020上半年釋出，運用固網能量加速5G網路建設，同時促進固網發展。
5G大頻寬應用需求驅動寬頻網路升級，為PON提供新市場機會，MIC表示，其中WDM-PON透過現行主流技術選項XG-PON/XGS-PON平滑升級，深具成本效益。中國大陸視N×25Gbps WDM-PON系統為5G前傳網路應用的最佳技術，積極促進ITU-T將25G WDM-PON架構標準化，中美科技戰也促使中國大陸加快5G網路商轉，帶動光纖網路升級需求。
SERDES功耗天險難克服 矽光子準備接棒
日前聯發科宣布推出經過7奈米FinFET製程驗證的112G遠程串列/解串列器(SERDES)矽智財(IP)，為該公司在特殊應用晶片(ASIC)產品陣線再添生力軍。不過，由於以銅為傳輸媒介的訊號損失太大，連帶造成112G SERDES的功耗跟傳輸距離，都會在應用面遇到許多考驗。業界普遍認為，112G將是傳統SERDES技術的終點。若要進一步提高SERDES的傳輸頻寬，必然要轉向矽光子(Silicon Photonics)。
聯發科本次推出的112G SERDES矽智財，鎖定的應用是企業級網路與超大規模數據中心所使用的ASIC。由於AI、大數據分析的需求不斷增加，通訊晶片與各類加速器晶片所需處理的資料量都跟著暴增，加上5G即將邁入起飛期，未來資料中心所需處理的資料量，將只增不減。在此情況下，許多雲端服務供應商都已經開始在資料中心內逐漸導入400G乙太網，並計畫在未來兩到三年內再將頻寬拉高到800G。而頻寬達到112G的高速SERDES，則是實現800G乙太網不可或缺的關鍵技術。因此，可以預期的是，市場對112G SERDES方案的需求，在未來幾年內將出現明顯成長。
聯發科技的112G遠程SERDES是基於高性能訊號處理(DSP)的解決方案，同時支援PAM4和NRZ信令，適用於惡劣環境與嘈雜的應用場景。該晶片可用於短、中、長距離的應用(VSR 、MR和LR)，並針對每個應用場景進行功率優化。由於採用最新的7奈米製程技術，在性能、功耗及晶粒尺寸都具有一流的競爭力。此外，112G遠程SERDES支援多種 IEEE 標準的速度，包括1/10/25/50/100G和 FC16/FC32/FC64。聯發科技最新的ASIC方案提供了強大的診斷與測試功能，包括不干擾主資料路徑的內置資料監控器，以及對內建自我測試和電子迴路的支援。
然而，隨著1.6T乙太網標準已經出現在IEEE的發展路線圖上，許多研究機構跟晶片大廠，甚至是網通設備廠，都已經開始投入大量資源研發矽光子(Silicon Photonic)傳輸技術。因為現有的SERDES技術如果要再把頻寬往上拉高，功耗將會超過功率預算的上限，且傳輸距離也會變得太短，難以滿足應用需求。在晶片業者方面，賽靈思(Xilinx)已經明確宣示，112G將是現有SERDES技術的終點，未來該公司的研發方向將轉向矽光子。此外，英特爾在矽光子上的投入，也已經逐漸進入開花結果的階段。
更引人注目的是，網通設備大廠思科(Cisco)也已經連續購併了Luxtera與Acacia等矽光子領域的領導廠商，替未來的市場需求預做準備。Luxtera的矽光子技術主要應用在晶片對晶片通訊，Acacia的矽光子技術則是鎖定更長距離的傳輸應用。
工研院電光所林建中組長表示，由於目前速度最快的SERDES技術已把銅材料可以支撐的頻寬榨乾殆盡，加上功耗、傳輸距離等實際應用面上需要考量的因素。我們幾乎可以斷言，除非改用金、銀等導電性更好的材料，否則基於電氣訊號的SERDES，將很難再繼續走下去。在這個情況下，矽光子技術接棒，只是時間早晚的問題。工研院目前在矽光子的研發上，也已經有許多成果，主要是集中在矽光子晶片的自動化測試上。科技部針對矽光子技術，也已制定矽光子積體電路專案計畫進行基礎研究。其中，與高速通訊直接相關的1.6T矽光子光收發模組研究計畫，是由高雄科大的施天從教授擔任計畫主持人。
事實上，許多PCB業者也已經看到這個趨勢，開始投入內嵌波導材料的高速PCB技術研發。但目前這種PCB的價格遠比傳統PCB高出一大截，形成應用普及上的障礙。倘若此技術更加成熟，帶動價格下滑，將有機會成為矽光子技術的理想配套。
矽光子技術是一種基於半導體製程的光電技術，藉由半導體微影技術，將光源、鏡片等光學元件以及光接收器等光電元件縮小到數十至數百微米尺度，從而讓開發者得以在晶片上將其整合。不過，由於矽光子晶片需要比較好的光學特性，因此絕大多數都是採用絕緣層上覆矽(SOI)製程，而非標準CMOS製程，這使得矽光子晶片跟邏輯晶片必須進一步靠先進封裝技術來實現異質整合。
效能追求無止境 FPGA轉向Chiplet/矽光子
隨著線路微縮的難度不斷增加，採用最先進製程的資金門檻也變得越來越高，而且未必能帶來晶片尺寸縮小，量產成本下降的經濟利益。事實上，在人工智慧(AI)風起雲湧，運算效能需求逐年倍增的情況下，為了滿足使用者需求，許多高效能處理器的晶片尺寸都變得越來越大，並開始對生產良率造成嚴重影響。這使得業界開始思考其他替代方案，例如近年非常熱門的異質整合跟Chiplet設計，就是因此應運而生。
賽靈思晶片技術副總裁吳欣(圖1)表示，摩爾定律(Moore’s Law)在技術跟經濟層面，正面臨巨大的挑戰。就技術層面而言，隨著線寬越來越細，電晶體本身占用的面積也要隨之縮小，因此其結構設計已經從平面轉為立體，也就是大家所熟知的鰭式場效電晶體(FinFET)。從16奈米製程節點開始，晶圓代工廠如台積電已經開始改採FinFET結構；預計到3奈米時，電晶體結構還會面臨一次重大轉變，改採環繞式閘極(Gate All Around, GAA)結構。
圖1 賽靈思晶片技術副總裁吳欣認為，摩爾定律雖正面臨技術與經濟的雙重挑戰，但仍會緩步向前推進。
而在曝光技術方面，193奈米浸潤式曝光技術已經走到尾聲，接下來將由極紫外光(EUV)曝光技術接受。根據晶圓代工業者的技術發展路線圖，5奈米跟3奈米製程都將改用EUV，目前已經量產的7奈米製程，日後也可能改用EUV機台來曝光。
但對線路微縮來說，目前最棘手的挑戰還是在後段線路製程，主要是金屬互連。由於線路的寬度跟阻抗值成反比，線路越細，阻抗越大，因此金屬互連的微縮是非常困難的工程挑戰，如果沒有改善的對策，金屬互連可能會成為製程微縮的最大限制。
也正因為線路微縮的道路上存在重重險阻，為了達成目標，晶圓代工廠跟晶片設計團隊深度合作，同步在製程技術、設計與晶片架構上進行最佳化，是必然的結果。以賽靈思為例，因為跟台積電保持密切合作，因此在同一個製程節點上，雙方花了超過半年時間不斷進行設計迭代，取得了相當亮眼的成果。如果拿16奈米製程做為參考基準，第一個10奈米設計的晶片面積只比16奈米縮小了30%，但半年多之後，已經縮小了53%。
然而，若把經濟因素納入考量，只依賴線路微縮，將無法滿足客戶對下一代產品的效能要求。因為人工智慧等應用需要極高的運算能力及大量記憶體，如果要將所有功能整合在單一晶片上，將使晶片面積暴增，量產良率跟著急遽下滑。
因此，賽靈思多年前就開始跟台積電合作，利用先進封裝技術所提供的高速互連能力，一方面將FPGA分割成多顆Chiplet，以提高生產良率，另一方面也藉此技術將FPGA與高頻寬記憶體(HBM)整合，讓FPGA可以更快速地存取儲存在HBM上的資料，提升整體運算效能。事實上，目前業界容量最大的FPGA--Xilinx VU-19P，就是基於Chiplet的設計概念，用4枚基於16奈米製程的Chiplet組合成整顆FPGA，提供使用者高達900萬個邏輯單元的容量，而不是用最先進製程來生產。
不過，吳欣也提醒，並不是所有電路都適合套用這種設計概念，因此設計人員應該先審慎評估自己的電路設計，再決定是否採用Chiplet。此外，對所有半導體產業的工程師來說，功率密度還是一個必須小心應對的議題。不管是Chiplet或線路微縮，追求的目標都是縮小晶片面積，但晶片面積越小，功率密度就越高，散熱問題也越需要從系統層級著手處理。
面對功率高牆 SERDES轉向矽光子
接續功率議題，賽靈思有線/無線事業群工程副總裁張琨永指出，基於傳統電子訊號的高速串列/解串列(SERDES)通訊技術，將在112Gbit/s世代畫上休止符，如果要繼續將頻寬往上推，勢必得轉向矽光子。因為若繼續採用現有的SERDES技術實現下一代收發器，光是通訊所消耗的電力便將超過200W，這是一個大到無法接受的數字。
張琨永解釋，每一款晶片都受到功率預算的限制。在功率預算內，晶片必須做完所有事情，例如通訊、運算、讀寫記憶體等。若僅通訊就要占用200W功率預算，晶片的其他功能恐怕都沒辦法運作了(圖2)。
圖2 受限於功率預算，未來晶片對外的通訊頻寬若要進一步提升，必然得朝矽光子技術發展。
此外，隨著訊號速度越快，訊號衰減的問題也會變得越棘手。基於銅導線的傳統SERDES，已經很難把10Gbit/s的訊號傳送到10公尺外，如果速度再往上加，傳輸距離只會更短，這對許多應用來說，也是無法接受的。
綜合功耗、頻寬、傳輸距離等因素，未來高效能運算所使用的晶片，在通訊方面轉向矽光子收發器，已經是不得不然的選擇，賽靈思也已經投入相關技術研發多年。
矽光子通訊最大的優勢在於可以實現長達兩公里的傳輸距離，同時減少晶片互聯的功耗，把功耗預算留給運算任務，而且延遲(Latency)也比基於電氣訊號的傳統互聯來得低，這點對於高效能運算非常關鍵。此外，矽光子具有跟FPGA主晶片整合在同一個封裝內的可能性，可以進一步提高FPGA的通訊頻寬，並縮小尺寸、進一步降低功耗。
賽靈思早在2016年就開始與愛美科(imec)、Samtec合作，藉由在FPGA晶片外的光通訊晶片實現50Gbit/s的矽光子通訊連線。目前賽靈思正試圖將矽光子收發器與FPGA整合在同一個封裝內，也已經有初步成果。未來光纖將可以直接拉到FPGA上，而不是FPGA外的收發器(圖3)。
圖3 導入矽光子之後，未來FPGA晶片將直接透過光纜進行外部通訊。
如圖3所示，矽光子晶片跟FPGA的異質整合，還可以進一步細分成三種，其中兩種屬於On Package/Pluggable，第三種則是In Package/Unpluggable。目前賽靈思的技術進展是實現On Package，並藉由在封裝上預留連接器，讓外部光纖可以直接連線到FPGA上。這種設計有個好處，就是使用者可以更換光纖，如果做成In Package，則光纖介質會直接拉進封裝體內，光纖將無法更換。但這種設計會帶來更低的功耗與更小巧的外觀尺寸，而且整合度更高，只需要搭配外部雷射元件就能實現矽光子通訊。
這會是一個很重要的設計抉擇，因為在實際應用上，系統需要使用的光纖長度不一，如果光纖是封裝的一部分，更換難度會大幅提升，應用上的彈性也會受到限制。如果採取可插拔式設計，對使用者來說是比較方便的。
此外，賽靈思在設計矽光子通訊時，還必須考慮到很多真實世界的問題。例如資料中心、超級電腦這類系統，除非是在維修狀態，否則基本上是不會停機的，這意味著系統上搭載的晶片會持續發熱，光纜材料能否長時間耐受高溫而不劣化，會是一個大問題。此外，如果要更換光纜，FPGA封裝上一定要有對應的光纜插座，這種插座要如何設計才能做到可靠耐用？這些都是賽靈思目前還在努力克服的挑戰。
張琨永總結說，目前矽光子技術的發展，還有四大挑戰需要克服。首先是生態系統的建立，包含電子晶片的設計製造、光通晶片的設計製造、封裝、如何外掛光纖、雷射光源，乃至所有異質整合都需要的KGD測試等，這些配套都要到位。
其次是可靠度問題。光通訊所使用的元件，例如光纖、光纖連接器、雷射光源等，可靠度都比矽晶片來得低。
第三是能源效率，矽光子的能源效率一定要比傳統基於電氣訊號的互聯技術高出非常多，才值得導入。
最後則是成本問題，目前矽光子所使用光通訊元件還沒有規模經濟效益，因此成本還是偏高。但如果相關元件進入大量生產階段，成本問題將有機會獲得解決。
資料中心帶動光通訊需求 DCI成光纖元件銷售最強驅動力
受到產業轉型、智慧型終端裝置、雲端服務及物聯網普及率增加影響，全球網路資料中心流量近年來一直保持高速成長。此趨勢也使得不同資料中心之間的互連需求增加，該趨勢也將成為未來推動光纖元件市場的最強驅動力。
研究機構IHS Markit指出，資料中心互連(Data Center Interconnect, DCI)的應用需求，將會是推動光纖市場的重要驅動力，近年來，該應用領域是光通訊設備成長最快的。IHS Markit運輸網路高級研究總監Heidi Adams指出，資料中心互連領域已成為光纖最熱門的應用領域；已有越來越多雲端服務供應商開始投資DCI市場，除了實現自有資料中心之間的互連之外，也能為企業提供DCI服務。
根據IHS Markit提供的數據指出，資料中心相關的光學傳輸設備市場在2018年上半已達到14億美元銷售額，與2017年同期相比成長了19%。其中，緊湊型資料中心互連(Compact DCI)設備的需求提升最為顯著，與2017年上半相比，2018年同期Compact DCI設備市場已成長了173%之多。IHS Markit預測，從2017年到2022年，DCI市場的總年複合成長率(CAGR)將成長15％，該成長率將會超過波長分波多工(Wavelength Division Multiplexing, WDM)市場。
另一方面，安立知(Anritsu)業務暨技術支援部門專案副理王榆淙也提到，在傳統的通訊需求之中，光纖主要應用於比較大的電信傳輸骨幹，然而隨著資料中心的建置逐漸擴大，也開始出現一些應用於機房裡的光纖傳輸應用。
王榆淙進一步補充，一般而言光纜由於內含須多主動元件，因此成本比銅纜高，然而在近年來傳輸速率越來越高的狀況之下，很多銅纜之中也必須導入一些主動的EQ去做訊號的續傳，如此一來銅纜的成本價購就失去了優勢。因此，目前有許多廠商開始選擇更多光纜線以及光纖收發器導入至資料中心的布建之中；也能看到近年來光的傳輸模組銷售量正穩定的成長當中。
傳輸需求日漸提升 光纖車內應用即將引爆
各類交通載具上的資訊娛樂系統傳輸資料皆逐漸提升，因此近來民航客機、火車等較為大型的交通工具皆開始導入光纖，用以滿足乘客的高畫質影音需求。在未來，光纖網路也將逐漸導入至客運巴士中，各類車內的光通訊商機即將引爆。
安立知(Anritsu)業務暨技術支援部門專案經理杜建一指出，由於交通工具上資訊娛樂系統產生的資料量以及對畫質的要求越來越高，因此有許多廠商已經開始將民航客機、火車等大眾運輸交通工具上的傳輸介面光纖化。在未來，客運巴士中所使用的傳輸介面將是下一波導入的應用領域。
由於自用車體積小，車內資訊傳輸距離不會太長，故較難展現光纖傳輸速度快、資料量大的優勢。因此，目前的應用多是以大型的交通載具為主。更由於光纖系統在車內傳輸的應用普及率較低，若要導入自用車的價格恐將過高。然而，光纖通訊不但具備傳輸速度快的優勢，光纜的重量與成本也皆優於銅線，因此未來電動車依然有望成為光纖通訊的重要應用領域。
不僅是光纜的重量與成本優勢將成為導入電動車通訊介面的重要推力。杜建一也提到，在現今電信機房之中，換用光纜之後的電費開銷將是使用銅纜的十分之一。可以想見，光纜的節能特性也將成為電動車導入的一大誘因。
杜建一說明，近年來由於車聯網趨勢興起，許多在以往只會運用在手機設備、電信機房的通訊技術皆漸漸導入汽車應用之中，光通訊技術便是其中一例。更由於近年來車內的資料傳輸量逐漸增加，因此，對於提供量測解決方案的廠商而言，部門之前的分工已難如以往清楚分割；時至今日，車內引擎量測、電子系統量測，也同樣有許多監測訊號、感測器訊號、管理訊號必須回傳。正因如此，需要整合各類通訊模組在其中，該趨勢也大幅提升了量測儀器的挑戰。