硅光子技术：数据中心变革的前沿

硅光子技术正在重塑数据中心，而未来的变革将更为深远。

可插拔光模块已经在数据中心广泛应用多年，并主导着横向扩展连接。下图展示了谷歌的Jupiter网络，用于连接数千个Ironwood TPU。图中大部分线缆为黄色，代表单模光纤（SMF）。对于纵向扩展，英伟达CEO黄仁勋去年夏天表示，“我们应尽可能长时间地使用铜缆。” 大多数观察家认为，最多还能再用两到三代。

图1：Google Jupiter网络

横向扩展（scale-out）网络中存在大量连接。每个机架都配备一个机架顶部（TOR）以太网交换机，拥有128个以上的端口，其上方还有1-2层横向扩展网络。纵向扩展（scale-up）的链路数量则要多得多。例如，在Nvidia NVL72机架中，有18个交换机，每个交换机直接连接到72个GPU中的每一个：18 x 72 = 每个机架1296个链路。随着更大规模的pod如NVL144和NVL576的推出，每个机架的纵向扩展链路数量还会增加。因此，当纵向扩展采用光纤时，光纤市场将会大幅增长。

在2025年光纤通信展（OFC 2025）上，OMDIA发布的光纤器件市场预测显示，市场规模已从2003年的数十亿美元（主要应用于电信领域）增长到2023年的约130亿美元，此后增长速度将显著加快，预计到2030年将达到250亿美元，这主要得益于人工智能网络的发展。首先是横向扩展，几年后将扩展到纵向扩展。CignalAI最新的预测则认为，到2029年，市场规模将达到310亿美元。

图2：光器件市场总规模

光学元件包括：

硅光子学是将原本分散的光子器件集成到改进的CMOS工艺中；

激光器、硅光放大器（SOA）以及其他基于III-V族工艺（如磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs））制造的器件，以及封装、光纤、连接器、适配器，用于在芯片之间提供连接。

本文重点介绍硅光子学。后续文章将讨论其他关键组件。

光如何在芯片间传输数据

数据中心的铜缆正在向光纤过渡。实际的物理光连接由光纤电缆实现，这些电缆通常是“单模光纤”，用于传输单模或多波长的光。包层可以保护光纤，但更重要的是，包层的折射率低于纤芯，从而使光线集中在光纤中。光纤电缆市场规模庞大。市场领导者康宁公司每年销售价值68亿美元的光纤产品。Meta公司最近与康宁公司达成了一项价值60亿美元的协议，将在未来几年内继续供应光纤电缆。

图3：单模光纤电缆——实际光纤直径为8-9毫米，电缆直径为2-3毫米

实际的光纤由玻璃制成，极其纤细——只有9毫米，也就是1/100毫米。如此细小的直径使得光保持单模状态，而硅光子学正是利用了这一点。

在光纤或芯片的波导中，可以使用单波长或多波长信号。多波长信号可以通过两种方式实现：粗波分复用(CWDM)和密集波分复用(DWDM)。CWDM指的是波长之间的间隔相对较大；DWDM指的是波长之间的间隔相对较小。它们都位于红外光谱范围内。

图4：光纤中的光传输频段

由于O波段在硅波导中的传输损耗低，因此被应用于硅光子学领域。

硅光子学应用

可插拔光器件

硅光子学目前在数据中心市场的主要驱动力是可插拔光收发器。

它们是一种标准化的热插拔设备，一端连接到交换机或服务器的电气接口，另一端连接到光纤。与它们所取代的铜缆相比，它们能够以更高的带宽和更低的功耗通过光纤将数据从一个交换机/服务器高速传输到另一个交换机/服务器。

可插拔光收发器的主要组件包括：1）激光器；2）具有DSP功能和高速SerDes的CMOS芯片；以及3）硅光子芯片。在这些收发器中，硅光子调制器（通常为马赫-曾德尔调制器）对激光进行调制，以叠加来自CMOS芯片的数据。此外，还有滤波器、耦合器、石榴石、透镜和隔离器。所有这些组件都封装在标准化的可插拔封装中。

光路交换机 (OCS)

谷歌多年来一直在谷歌云中使用光路交换机(OCS)。

与其他AI加速器不同，谷歌的TPU无需交换机，采用三维路由结构，可实现数千个TPU组成的集群。其机架顶部（TOR）交换机使用可插拔光模块并连接到OCS层从而实现整个数据中心顶层互连的重新配置。这对于冗余、可靠性和应对不断变化的工作负载的网络重配置至关重要。谷歌的方案采用MEMS（微机电系统）镜这些微镜可接收数百根输入光纤并将光路导向数百根输出光纤中的任意一根。

共封装光学器件 (CPO)

CPO可实现比可插拔光学器件更高的密度和更低的功耗。

随着英伟达和博通宣布将于 2025 年推出采用共封装光器件的以太网横向扩展交换机以降低交换功耗CPO已开始蚕食可插拔交换机的市场份额。