數據生成與消費的迅猛增長，使得數據中心對更高數據速率和帶寬的需求持續攀升。長期以來，銅互連一直是數據中心內部高速數據傳輸的基礎，為短距離連接提供了可靠且經濟高效的解決方案。但隨著數據速率不斷提高，銅的物理局限性愈發凸顯，促使行業向光互連轉型。

本技術文章概述了從銅互連到光互連的轉型，重點介紹了SerDes IP的關鍵性能指標、延遲考量因素、功耗以及線性光接口的興起。

影響從銅到光轉型的關鍵性能指標

從銅到光的轉型受到多個關鍵性能指標的影響。過去，數據中心前端的以太網連接多采用光纖解決方案，而內部縱向擴展則依賴銅纜。但銅互連的傳輸距離正在迅速縮短。在數據速率為112 Gbps時，銅背板線纜的長度約為2.5米。當數據速率提升至224 Gbps時，該長度縮至約1米。

為應對這些限制，目前主要有以下三種方案：

直連銅纜（DAC）

有源電纜（AEC）

有源光纜（AOC

雖然在短距高速連接中，DAC和AEC等銅纜解決方案仍占主流，但隨著對傳輸距離和帶寬的要求不斷提高，光纖技術必然是未來橫向擴展的發展方向。

延遲考量因素

在光互連部署中，延遲是一個關鍵因素。光纖在傳輸距離和帶寬方面優勢顯著，但與銅纜解決方案相比，其延遲更高。這主要是光傳輸中采用的Reed-Solomon（RS）效應和漢明糾錯機制所致。

在高速數據傳輸場景中，例如對延遲極為敏感的加載和存儲操作，銅纜依然是首選。銅互連延遲較低，因此適合此類關鍵應用。而像數據分區和分發等對延遲不太敏感的橫向擴展操作，則越來越多地采用光纖解決方案。

功耗

對比銅互連與光互連，功耗是另一個重要的考量因素。有源光學模塊的功耗通常是同類有源銅纜模塊的2.5到4倍。這是因為光傳輸需要額外的器件，比如激光驅動器和跨阻放大器（TIA）。

盡管光互連功耗更高，但因它能支持更高的數據速率和更長的傳輸距離，因此其市場需求仍在不斷增長。目前，研發低功耗光學器件已成為重要的研究方向，旨在縮小銅纜和光學解決方案在功耗方面的差距。

▲圖1：與線性驅動光學器件的節能效果比較

線性光學接口的興起

自2010年代初起，線性光學接口，尤其是10 Gbps速率的接口，就備受業界關注。不過，該技術近期才得到廣泛應用。隨著數據速率不斷提高，傳統重定時接口的局限性日益顯現，這使得人們重新關注線性直接驅動光學技術。

▲圖2：利用主機（交換機）電氣SerDes補償光學損耗

傳統的重定時接口使用DSP芯片來驅動光學器件，這會增加復雜性和延遲。而采用線性驅動光學器件則省去了傳統光纖傳輸之前用于信號重定時和均衡的中間DSP器件。通過將這些功能直接集成到主機芯片的SerDes中，線性驅動光學器件簡化了傳輸路徑，降低了延遲和功耗。

線性驅動光學器件的主要優勢在于，能以更低復雜性處理高數據速率。在112 Gbps速率下，線性驅動光學器件可直接與光學組件連接，提供簡潔高效的信號路徑。這種直接連接是通過將先進的模擬和混合信號設計技術整合到SerDes中來實現的，因此它能高保真地驅動光學調制器并檢測信號。

為應對224 Gbps的更高數據速率，業界正在研究混合方法。在如此高的速率下，更高的奈奎斯特頻率會在光域引發非線性問題，需要額外的器件來保證信號完整性。集成自動增益控制（AGC）和時鐘數據恢復（CDR）芯片的混合模式，正逐漸成為應對這些挑戰的可行解決方案。

共封裝光學器件（CPO）和UCIe

近年來，關于共封裝光學器件（CPO）的討論日益熱烈。CPO將光學器件直接與主機芯片集成，縮短了電接口和光接口之間的距離，從而提升了性能。

通用芯粒互連技術（UCIe）標準在CPO系統的開發中發揮著關鍵作用。UCIe有助于Multi-Die系統內的Die-to-Die通信，實現高密度、高速連接。針對CPO，業界主要研究以下兩種方法：

串行PHY直接/線性光學驅動：在該方法中，UCIe用于主機芯片內的Die-to-Die通信，然后與包含SerDes和光學器件的I/O芯片連接。該方法傳輸距離較長，但由于存在額外的SerDes，延遲和功耗相對較高。

▲圖3：CPO用例：距離更長，但延遲和pJ/b較高，Gb/s/mm較低

并行PHY直接/線性光學驅動：該方法無需SerDes，UCIE用于主機芯片和集成硅光子器件的I/O芯片之間直接通信。該方法傳輸距離較短，延遲和功耗較低，但需要借助CWDM（粗波分復用）等先進光學復用技術，以實現有效的光纖管理。

▲圖4：CPO用例：距離較短，但延遲和pJ/b較低，Gb/s/mm較高

更高數據速率帶來的挑戰與對應的解決方案

從銅到光的轉型并非簡單替換傳輸介質，而是需要一套全面方案，確保新的光學系統能夠在應對固有挑戰的同時，提供所需的性能。線性驅動光學器件作為推動這一轉型的關鍵創新，實現了更為簡潔高效的光學數據傳輸。

隨著數據速率攀升到224 Gbps及以上，線性驅動光學器件面臨的挑戰愈發嚴峻。在如此高的速率下，更高的奈奎斯特頻率會加劇信號完整性問題，比如引發非線性現象和信號損耗，進而降低光學鏈路的性能。

為應對這些挑戰，業界正在開發半重定時的混合方法。該方法在保留線性驅動光學器件優勢的基礎上，增加了信號調理器件，例如AGC和CDR芯片。這些器件有助于減輕非線性和損耗影響，確保光信號在較長距離內保持完整性。

▲圖5：半重定時線性光學接口變體

線性驅動光學器件已成為現實

新思科技近期展示了PCIe 7.0和224 Gbps線性光學驅動解決方案，充分展現了這些技術的實際應用效果。這些展示突出了無源元件、線性放大器和調制激光器的集成，有力地證明了線性光學接口用于下一代數據中心的可行性。

未來高速互連的發展，關鍵在于光學技術的持續進步。隨著行業邁向更高的數據速率和更復雜的系統架構，光學解決方案的應用將越來越普遍。研發低功耗、低延遲的光學器件，對于解決現代數據中心橫向擴展挑戰至關重要。

結語

從銅到光的轉型，源于人們對更高帶寬、更長傳輸距離和更高性能的追求。盡管銅纜在對延遲敏感的應用中仍然重要，但在橫向擴展場景中，光互連有望占據主導。線性光學接口的興起，以及超以太網和UCIe等標準的采用，為下一代高速數據傳輸解決方案奠定了基礎。光學技術的持續演進將在塑造未來數據中心連接方面發揮關鍵作用，助力數據以空前速度高效、無縫地傳輸。