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ChatGPT引發(fā)全球開啟 AI大模型軍備賽，受此影響，AI算力市場增勢顯著，數(shù)據(jù)中心擴容和升級在即。其中，光模塊作為數(shù)據(jù)中心設備互聯(lián)的關鍵載體，需求量隨之增長，與此同時，降低功耗、成本，并提升能效仍然是核心訴求。
AI驅動下，數(shù)據(jù)中心光模塊量價齊升
光模塊作為光纖通信的核心組成部分，主要用于實現(xiàn)光信號傳輸過程中光電轉換和電光轉換功能。據(jù)數(shù)據(jù)中心內部流量、帶寬等推算，近年來，光模塊速率約每三年左右提高一倍。當前，200G、400光模塊在數(shù)據(jù)中心大規(guī)模部署，并且，800G光模塊也正在成為全新需求，用在全球領先的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、人工智能算力中心等；800G的下一代產(chǎn)品1.6T光模塊，也有望在2025年后推出。
對于通用服務器和AI服務器來說，所用光模塊有什么區(qū)別？業(yè)內進行過相關測算：一臺傳統(tǒng)服務器約需要配置 4-6 個光模塊，一臺AI服務器則需要8-10 個光模塊。而且，算力需求越大，越需要更高速率的光模塊，比如800G。假設投入100億搭建一個傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，光模塊約需要5-6 億；同樣投入100億搭建AI智算中心，光模塊可能接近10億。這意味著AI驅動下，數(shù)據(jù)中心光模塊將呈現(xiàn)出量價齊升的態(tài)勢。
光模塊必備的DSP，被巨頭裹挾
光模塊用的電芯片包括激光驅動、TIA、CDR和DSP等。LightCounting預測，從2022年到2027年，光模塊電芯片市場的CAGR增長率將為18%，市場總額從當前的24億美元增長到53億美元，主要用于以太網(wǎng)和DWDM用光器件。
在光模塊中，DSP芯片主要用于處理調節(jié)衰減光信號，是高速光模塊中最核心的電芯片。當光傳輸速率達到50Gb/s以上，光纖偏振模色散影響加劇，嚴重影響鏈路有效傳播距離與信號質量，因此業(yè)界最常用的方法是通過DSP對抗與補償，來降低失真造成的系統(tǒng)誤碼率。業(yè)界一度認為在200G以上光模塊中，DSP基本屬于必備器件。
不過，DSP雖然具有很強的信號恢復能力，但不足之處就是成本和功耗較高、且延遲較大。成本方面，DSP幾乎成為光模塊BOM成本占比最高的電信號處理單元。有分析顯示：約在10年前，DSP剛用于光模塊時，工藝節(jié)點是65nm，設計成本2400萬美元；到2020年7nm產(chǎn)品推出時，設計成本已高達2.5億美元左右；預計5nm節(jié)點時，芯片設計成本將達到4.5億美元。
高額投入下，市場份額較小的廠商逐漸退出競爭。光模塊DSP市場頭部效應越來越明顯，國際上有inphi（已被Marvell收購）、Broadcom，國內有華為海思，幾乎沒有其他國內玩家參與，基本成為寡頭壟斷的市場。
功耗方面，DSP由于引入了DAC/ADC與算法，功耗高于傳統(tǒng)基于模擬技術的CDR芯片。16nm DSP解決方案的400G OSFP/QSFP-DD的設計功耗在12W左右，而DSP降低功耗的方法比較有限，主要依靠流片工藝的提升，如果從16nm升級到7nm，約能實現(xiàn)65%的功耗降低。
不論對于光模塊本身，還是交換機前面板的熱設計，DSP的功耗問題越來越成為一大挑戰(zhàn)，隨著光模塊速率的提升，數(shù)據(jù)中心迫切需要引入更先進工藝節(jié)點的DSP，但這帶來了成本和功耗的權衡問題。
“去DSP”趨勢顯著
AI高算力背景催生低功耗、低延時光模塊需求，LPO(Linear-drive Pluggable Optics) 線性直驅與 CPO（Co-packaged Optics）光電共封裝方案，是業(yè)界目前主要探討的兩種技術路線，這兩種方案都不再依賴DSP。
LPO線性直驅方案
LPO 被認為深度契合了AI短距互聯(lián)、低功耗、低延時的需求，且技術更新迭代相對較小，有望成為800G 時代的重要補充方案。據(jù)業(yè)內公開資料，相比傳統(tǒng)方案，LPO去掉DSP芯片后，整體光模塊成本至少下降15%。
也有業(yè)內人士認為，LPO的最大優(yōu)勢不是降成本，而是降功耗。在現(xiàn)有光模塊架構中，它能夠實現(xiàn)50%左右的降功耗效果，對相關廠商吸引力很大。以400G光模塊為例，所用7nm DSP功耗約為4W，占模塊整體功耗的50%。LPO通過將DSP功能集成到交換芯片中, 只留下driver和TIA，并分別集成CTLE和Equalization功能，用于對高速信號進行一定程度的補償。相較DSP方案，LPO可大幅減少系統(tǒng)功耗和時延，保證傳輸性能的同時降低成本，并保持可插拔特性便于后續(xù)維護。
LPO代表廠商主要有Macom、Semtech、美信（已被ADI收購），博通也在跟進這一方向。前三家廠商在電芯片領域有一定優(yōu)勢，都在大力推動LPO線性直驅驅動和TIA芯片。MACOM最新推出的800G線性驅動方案，相較于傳統(tǒng)方案，可使系統(tǒng)功耗降低70%、整體延遲減少75%。
CPO光電共封裝方案
CPO方案將光學器件（如激光器、調制器、光接收器等）封裝在芯片級別，直接與芯片內的電路相集成，借助光互連以提高通信系統(tǒng)的性能和功率效率。共封裝光學器件的一項關鍵創(chuàng)新是將光學器件移動到離交換芯片裸片足夠近的位置，以便移除額外的DSP。
借助CPO方案，網(wǎng)絡交換機系統(tǒng)的光接口從交換機外殼前端的可插拔模塊轉變?yōu)榕c交換機芯片組裝在同一封裝中的光模塊。
基于這種封裝模式，光學元件直接嵌入到芯片中，內部電路距離更近，減小了電信號的延遲和失真，提高了通信系統(tǒng)性能，減少了芯片與光模塊之間的連接器數(shù)量，減小了光模塊尺寸，提高光學和電子之間的互聯(lián)可靠性。并且，CPO可以減少能量轉換的步驟，從而降低功耗，與傳統(tǒng)光模塊相比，CPO在相同數(shù)據(jù)傳輸速率下可以減少約50%的功耗。
在光電共封裝領域，英特爾是資深的玩家之一。此外，還有博通、Marvell、思科等。
綜上，CPO主要技術路徑為硅光集成加外置光源，依然存在可靠性較低、維護較難的問題，成為主流應用還有諸多因素要克服；LPO作為一項新技術，根據(jù)預測可望在2024年底首次實現(xiàn)部署；在未來一段時間內，傳統(tǒng)的可插拔光模塊仍將是首選，7nm向5nm DSP的演進在加快，以滿足越來越嚴苛的功耗需求。
寫在最后
大模型、大數(shù)據(jù)、大算力日益成為AIGC應用的核心，其中，算力作為重要的基礎設施，正在面臨全面升級的需求。除了核心GPU處理器，通信因素也會成為短板，只要一條鏈路出現(xiàn)網(wǎng)絡阻塞，就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)延遲。因此，AI服務器對于底層數(shù)據(jù)傳輸速率、延時要求等非?？量蹋M而對高速率的光模塊產(chǎn)生大量需求。
DSP作為光模塊核心器件，如今，正在面臨新技術路徑的沖擊和挑戰(zhàn)。特別是今年以來，光模塊“去DSP”趨勢顯著。這是光模塊領域的重要信號，或許會改寫未來的競爭格局，并有望引領光模塊、光芯片走向新的技術路徑。
