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高科大/台大攜手發表國產1600G矽光子晶片技術

5G時代來臨,雲端應用的數據中心需要極大容量的傳輸能力。目前利用先進半導體矽製程發展的矽光子晶片,被視為最有潛力的技術。高科大與台大合作發表超世代大容量矽光子晶片,其傳輸架構由高科大電機與資訊學院院長施天從教授於2018年所提出的4波長、4光纖傳輸結構,晶片尺寸為5mm x 5mm,採用PAM4訊號格式,總傳輸率可達到1600G,為目前國內外相關研究領域中,單位晶片面積上的總傳輸率最高的發射端矽光子晶片,並已經初步驗證通過1600G傳輸之可行性。 高科大與台大1600G矽光子晶片技術開發團隊 2019年美國最大的電信系統設備商思科(Cisco)分別以28.4億美元併購矽光子技術廠商Acacia Communications,6.6億元併購矽光子晶片模組製造商Luxtera,以擴充思科在企業端、數據中心及電信運營商的市場。而全球半導體晶片領導廠商的英特爾(Intel)在100G PSM4市場有第一名市佔率,同時亦已經推出商用的400G矽光子晶片及模組。 矽光子技術結合了兩個20世紀最重要的發明:矽積體電路和半導體雷射。與傳統的技術相比,矽光子晶片能讓資料傳輸速率更快、距離更長。目前許多國際雲端服務商,如亞馬遜(Amazon)、臉書(Facebook)、谷歌(Google)、蘋果(Apple)、微軟(Microsoft)等皆投入大量資源建置更大型的資料中心。這些新資料中心的需求就是必須儲存更多的數據,更快的資料傳輸速度,以及更低的消耗功率,因此在有限的廠房空間,必須使用相同尺寸,但是可以倍數提升傳輸位元率的模組。而今年不因肺炎疫情停擺,在美國聖地牙哥舉行的光網路及通訊會議展覽(OFC 2020),亦有多家系統及模組廠商展示400G甚或800G的技術。 1600G矽光子發射器晶片架構  台灣半導體製造技術執全球牛耳,晶圓廠的互補型金氧半(CMOS)矽製程技術領先全世界,矽光子技術即是匹配運用互補型金氧半矽製程技術發展的光電晶片,相當適合台灣高科技產業發展。若台灣相關的半導體廠商能透過產能支援與學界合作,對於台灣發展矽光子技術非常有幫助,同時也能協助台灣製造業及早在矽光子製程領域建立自主元件資料庫及智財權布局,待產業起飛時必能占據最佳的產業地位。光電元件積體化目前還屬於發展初期,矽光子晶片複雜程度高,製程解析度越高,訊號的精確度越好,元件的效能才能有效發揮,因此矽光子技術的實現需要先進製程的搭配。 科技部的矽光子積體電路專案計畫是陳良基部長極力推動的半導體射月計畫之衍生項目,該專案計畫規劃於四年提撥新台幣3.2億元發展國內矽光子技術,由國內矽光子技術之先驅者台科大李三良教授負責專案計畫辦公室。預期前二年完成核心技術開發與系統晶片架構設計,第三年完成系統晶片製作與性能優化,第四年完成系統展示並能將技術與廠商進行後續之應用與推廣。計畫執行期間將培植國內研發團隊利用矽光子平台整合元件、光路與電路而組成生醫感測、光感測以及光連結等應用的光電系統晶片。該計劃自2018年開始執行,本次發表的1600G矽光子晶片,即為該專案計畫支持的國內五件研究計畫之一的成果。 高科大電機與資訊學院院長施天從教授(前排右三)領導的1600G矽光子晶片技術開發團隊 本次發布的超世代大容量1600G矽光子晶片之傳輸架構由高科大電機與資訊學院院長施天從教授於2018年所提出領先全球的前瞻性4波長、4光纖的傳輸結構,並由台大光電所黃定洧教授負責設計,以4x16陣列波導光柵(AWG)分波多工器,混成16路光調變信號,完成發射端的矽光子晶片。利用此新型之分波多工器,可以用最精簡的光路配置連接各元件。此外,此晶片之尺寸為 5mm x 5 mm,採用PAM4訊號格式,其總傳輸率可達到1600G。 台大光電所黃定洧教授表示,本矽光子晶片之完成,利用共用晶片方式送至比利時IMEC完成半導體製程,並依據設計製作完成矽光子晶片。同時感謝共同建構矽光子元件技術的中研院張書維研究員、成大曾碩彥教授及高科大吳曜東教授的一起努力,也感謝中興大學劉浚年教授、中山大學洪勇智教授、及TSRI提供之光纖耦光量測協助,台大林恭如教授及所負責的台大與Tektronix聯合實驗室的高速光傳輸量測協助,共同驗證本矽光子晶片具有1600G的傳輸的可能性。 研究計畫主持人,高科大電機與資訊學院院長施天從教授指出,非常高興能與國內頂尖大學團隊合作,有效鏈結南北學術能量,得以建構完成整個光引擎所需要的元件與技術。本矽光子元件及傳輸架構已經由相關單位申請專利中,希望團隊能持續獲得科技部補助,進一步優化矽光子晶片性能,並建構完成整個光引擎模組,厚植台灣於此新世代矽光子技術之實力。
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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。  
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專訪Credo執行長Bill Brennan 標準/AEC雙管齊下推動400G

隨著人工智慧(AI)、機器學習(ML)和影片工作負載的不斷擴展,資料中心的頻寬需求引發部署400G的緊迫性。為滿足此需求,Credo積極加速HiWire AEC系列產品的研發與生產。 Credo執行長Bill Brennan表示,HiWire AEC為計畫部署400G的業者提供了新選擇,其具備主動光纜(AOC)的優點,但成本、功耗更低。特色包括高速率、高訊號完整性(低BER)、高性能(低功耗)、高品質/可靠度、高工作溫度、高彈性等。且還可以隨插即用,並提供系統級、線纜內速度轉換方案,實現50G PAM4交換機埠與廣泛使用的25G NRZ伺服器無縫連接。 Brennan進一步說明,此一AEC連接解決方案正廣泛地部署在雲端、服務提供商和企業網路中。HiWire AEC讓系統供應商在尋找資本支出和營運成本之平衡解決方案的同時,亦能更快速地邁入400G。目前該產品已在12.8TB交換機上使用,並實現CLOS資本支出降低50%、功耗降低40%及光埠數量降低75%等目標。 另一方面,Credo也成立HiWire Consortium聯盟,致力於建立和持續開發AEC標準。該標準定義了眾多業界多源協議(Multi-source Agreements, MSAs)的具體建置方法和正式認證過程,將為超大規模資料中心、電信和企業市場提供多源且可靠的隨插即用AEC生態系統。 Brennan指出,HiWire Consortium目標在於引領業界推出隨插即用的AEC、依據現有標準制定HiWire AEC規範、核准認證測試規範等。目前聯盟成員已包括台達電、英特爾(Intel)、是德科技(Keysight)、Innovium等,未來還會尋求更多合作夥伴加入,集結各方資源實現可靠電纜解決方案。 Credo執行長Bill Brennan表示,HiWire AEC讓系統供應商能更快速地邁入400G,並且維持支出與收益的平衡。  
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資料中心內部介面大提速 PCIe Gen4測試步步為營

在資料中心內部,各種設備/裝置使用Ethernet100G/200G/400GbE作為外部連結介面,PCIe則是被廣泛用作內部數據傳輸的介面。PCIe主要做為電腦系統內部的通用傳輸介面。剛開始PCIe Gen1傳輸速率為2.5GTps,可相容PCI介面,隨著傳輸需求的發展PCIe Gen2的速度為5GTps,PCIe Gen3的速度為8GTps;目前PCI SIG最新的規格PCIe Gen4速率提升到16GTps。此外,PCIe Gen5傳輸速率預計提升到32GTps,PCI-SIG正在制定相關的規格。 PCIe Gen4傳輸速率高達16GTps,不僅僅是使用在一般的電腦裝置中,更是被廣泛地運用到各種設備的內部傳輸介面,例如傳輸設備、伺服器、儲存裝置等。 傳輸速率越高,訊號的傳輸衰減越大,使得從訊號發射端(Tx)到接收端(Rx)傳輸過程所產生的衰減也跟著增加,過大的衰減將導致訊號劣化,使得接收端無法做訊號判別接收。也因此,PCIe Gen4的Tx和Rx端均使用了等化器(Equalization),以補償高速訊號傳輸的衰減,接收端的誤碼率(BER)測試驗證是必要的。 Link EQ為Gen3/Gen4測試新需求 PCIe裝置在連接時,會進行LinkEQ溝通,將TRx EQ做最佳化設定,如此一來也使得Tx和Rx間的Link Equalization(Link EQ)成為PCIe Gen3/Gen4 TxRx新測試需求。接收端測試設備誤碼儀(BERTs)這時候須具備Protocol溝通能力,在執行TRx LinkEQ測試時,扮演與待測物溝通的角色,讓待測物與儀器進行溝通設定好最佳TRx EQ後,進行後續誤碼(BER)驗證(圖1)。 圖1 Anritsu MP1900A PCIe Rx測試架構 隨著各種傳輸介面如TBT3、USB、PCIe傳輸速率越來越快,接收測試變成是必須的驗證項目。工程師須藉由誤碼儀提供協會規範的Stress訊號來進行接收端品質驗證。而Rx LinkEQ壓力測試在PCIe Gen3後變成是Certification必要項目。在整個測試流程中包含的訊號校正(Calibration),Link Training與BER測試。 PCIe裝置主要分為兩種類型:System(或Root Complex),如作為主設備的CPU和主機板;以及作為連接到主設備的附加裝置AIC(Add-in...
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資料中心傳輸需求大增 高速光收發器模組需求起飛

近幾年,由於線上遊戲、隨選視訊、社群網路、雲端計算等需要大頻寬需求的應用不斷的推陳出新,讓全球網路的流量呈現爆炸性的成長。另外,為了支援雲端服務、高速運算等高網路流量的應用,資料中心(Data Center)建置的數量與規模也有非常明顯的成長。 根據Cisco的報告指出,在2015年資料中心的傳輸總流量約為4.7 Zetabytes,並預估到2020年將達到15.3 Zetabytes,將有超過三倍的成長。資料中心的訊息傳輸約有70%流量是發生在資料中心內部的傳輸,約有15%的流量是發生在資料中心之間的傳輸。由此可知大部分的傳輸流量是出現在資料中心內部,所以資料中心內部需要提高資料傳輸速率,同時還需要能夠具備低成本與低功率消耗的特性,而光訊號傳輸是目前唯一可以滿足這些需求的技術。因此,未來在資料中心內部的高速光收發器模組,也將持續有大量的需求;而且光收發器模組的技術發展,也將持續提高傳輸速率。 400G光收發器將成主流 為了實現高速光訊號傳輸,高速小型光收發器模組的開發是其中的關鍵技術,目前資料中心以40Gbps與100Gbps的光收發器模組為主要配備,而目前光收發器模組的生命週期約為三至四年,且有漸漸縮短的趨勢;所以市場預計200Gbps與400Gbps的光收發器模組將很快取代現有的傳輸模組。而隨著未來資料中心之間與內部互連越來越大的傳輸流量需求,估計在不久的將來800Gbps和1.6Tbps的傳輸系統也將會有所需求。 100Gbps光收發器模組的開發最早從2010年開始,當時IEEE 802.3標準提出SR10、LR4和ER4三種標準,分別應用在100m OM3多模光纖、10km單模光纖和40km單模光纖的傳輸;在2015年,提出SR4的標準,應用在100m OM4多模光纖的傳輸。SR10使用10個光發射器與光接收器,每個通道的傳輸速率是10Gbps;LR4、ER4和SR4則使用4個光發射器與光接收器,每個通道傳輸速率為25Gbps。多源協議(Multi-Source Agreement, MSA)也在2014年提出PSM4和CWDM4兩個標準,也是使用四個光發射器與光接收器,每個通道傳輸速率為25Gbps;PSM4應用在500m單模光纖的傳輸,而CWDM4則應用在2km單模光纖的傳輸。表1彙整了目前常用100Gbps光收發器模組的標準與相關特性。 100Gbps光收發器模組的封裝類型常見的有CFP、CFP2、CFP4和QSFP28。CFP-MSA定義熱插拔收發器應用在40Gbps與100Gbps網路傳輸的需求,可以支援在單模與多模光纖上傳輸多種速率,在電氣介面可以支援10×10Gbps高速資料訊號的發射與接收,具有較大的模組尺寸,以及較高的功率消耗約為24W,不適合需要高密度傳輸的資料中心之需求。CFP2光收發器模組的體積是CFP的一半,功率消耗低於9W。CFP4光收發器模組的體積又是CFP2的一半,功率消耗也大約下降一半。CFP、CFP2、CFP4是較早期的型式,而QSFP28延續QSFP的外觀結構,但每個通道傳輸速率達28Gbps,具有比CFP4更小的模組尺寸與更低的功率消耗,所以目前已經成為資料中心100Gbps光收發器模組封裝的主流型式。 在光收發器的訊號調變技術中,若採用四階脈波振幅調變(Four-level Pulse Amplitude Modulation, PAM4)的資料格式,每階振幅可以表示兩個位元的資料,相較於以往採用非歸零(Non-Return Zero, NRZ)的資料格式,每階振幅只能表示位元0或1的資料。因此,PAM4資料格式在相同的頻寬下大約可以提高一倍的資料傳輸速率。因此,在已發布400Gbps光收發器的標準中,PAM4資料格式已被採用,並成為資料傳輸的主要調變格式。從2014年開始,IEEE 802.3便開始研議400Gbps光收發器的標準,一直到2017年12月正式公布標準,提出SR16、DR4、FR8和LR8四種標準。SR16仍使用25Gbps NRZ的資料訊號,以32道並列(16道做為發射,16道做為接收)多模光纖進行傳輸,使用OM4多模光纖可傳輸100m。DR4、FR8和LR8都採用PAM4的資料調變格式,但DR4採用的是100Gbps(50Gbaud)PAM4,而FR8和LR8則採用50Gbps(25Gbaud)PAM4;DR4使用8道並列的500m單模光纖進行傳輸,而FR8和LR8則使用WDM技術分別在2km與10km的單模光纖中傳輸。100G Lambda MSA也在2018年1月提出400G-FR4的標準,採用100Gbps PAM4資料格式,並使用WDM技術在2km單模光纖中傳輸。考量目前技術成熟的光電元件與相關積體電路的操作頻寬,預計400Gbps光收發器模組以8×50Gbps的解決方案將比4×100Gbps更快可以被實現達成。表2彙整了目前400Gbps光收發器模組的標準與相關特性。 資料中心內的光收發器模組技術朝向400Gbps速率發展的方向已是主流趨勢,而對於400Gbps光收發器模組要採用何種封裝型式,成本的考量會是技術轉型的思考重點,需要考量向下的兼容性與向上的發展性。目前400Gbps光收發器模組的封裝類型主要發展有三種,CFP8、QSFP-DD、OSFP。CFP8規範的外觀尺寸比CFP4大,可以支援16×25Gbps NRZ或8×50Gbps PAM4的傳輸介面,最高功耗為24W;由於CFP8的尺寸較大且功率消耗較高,因此資料中心較不考慮採用此類型收發器模組。QSFP-DD模組結構在標準的QSFP四通道電氣介面,多增加一排四通道介面,成為具有八通道的光收發器;QSFP-DD模組可以支援QSFP+和QSFP28標準,所以使用QSFP-DD模組所設計的系統可以向下兼容;功率消耗規範為12W;目前受到Amazon、Facebook和系統設備廠商Cisco的支持。OSFP模組封裝是比較新的外型,尺寸比QSFP-DD略大一些,所以可支援較高的功率消耗達到16W,較容易達成長距離傳輸的設計,但缺少與QSFP28向下兼相性;目前受到Google與Arista Networks等公司支持。如圖1,為CFP8、QSFP-DD、OSFP三種400Gbps光收發器模組封裝型式。 圖1 400Gbps光收發器模組封裝類型 除了前述三種400Gbps光收發器模組封裝型式外,COBO(Consortium of...
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TE OSFP連接器新品支援400G資料速率

全球連接和感測器廠商TE Connectivity(TE)近日宣布推出全新八通道小型可插拔(OSFP)連接器和電纜組件產品組合,支援200Gbps與400Gbps的資料傳輸速率,以滿足下一代資料中心需求。全新OSFP連接器和電纜組件專為8×28G NRZ與8×56G PAM-4協定而設計,並且在未來系統升級後可用於8x112G PAM-4協定。   TE的OSFP連接器以創新散熱器技術,提供卓越散熱效能及400Gbps資料速率所需的訊號完整性;此外,TE的OSFP產品亦可在1RU交換器中配置多達36個400G連接埠,進而滿足下個世代交換器矽晶圓的發展藍圖。   TE Connectivity產品經理Zach Galbraith表示,為因應400Gbps乙太網將大幅提升次世代網路速度,系統設計人員需要高密度解決方案,搭載優越的訊號完整性和散熱效能,而TE全新OSFP解決方案能夠滿足相關條件,協助系統人員構建符合下一代資料中心系統需求的設計。   Arista Networks製造和平台研發副總裁Christophe Metivier也表示,非常歡迎TE全新OSFP連接器和電纜組件產品加入持續成長的OSFP生態系中,TE產品為400Gbps互連解決方案提供了所需的訊號完整性和散熱效能。
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