800G光模块为何是AI浪潮的一大节点

在当今快节奏的世界中，对高速数据传输的需求已达到前所未有的水平。AI应用和大模型的出现，使得算力成为AI行业的关键基础设施。随着对更快通信的需求不断增加，高速光模块已成为人工智能服务器的重要组件。本文深入探讨了800G光模块的演进及其在人工智能时代的巨大潜力。01800G光模块的演进光模块承担着网络连接中光电信号转换的任务，负责在发送端将电信号转换成光信号，再通过光纤传输后在接收端将光信号转换成电信号。随着光电器件的发展和集成化，其性能和传输带宽不断提高，光模块需要更高的传输速率和更小的尺寸以适应不同的使用场景。封装方式也不断发展，更小的封装和功耗意味着光模块在交换机上具有更高的端口密度，同样的功率可以驱动更多的光模块。不断增加的带宽需求带宽需求的增长对高速光模块产生了重大影响。随着新兴技术的不断涌现以及大规模数据传输的需求，传统的100G、200G、400G光模块已经不能完全满足市场需求。为了满足不断增长的带宽需求，800G光模块正在成为趋势。LPO技术的成长在800G光模块时代，线性驱动可插拔光学器件（Linear-drivePluggableOptics，LPO）技术脱颖而出。LPO在数据链路中利用线性模拟组件，无需复杂的CDR或DSP设计。与DSP解决方案相比，LPO大幅降低了功耗和延迟，非常适合AI计算中心的短距离、高带宽、低功耗和低延迟数据连接要求。随着云服务提供商扩展其计算资源，包括800GLPO在内的LPO解决方案有望占据重要的市场份额。02800G光模块封装随着技术的不断进步，光模块的封装形式经历了显著的演变。从早期的GBIC封装，到更小的SFP封装，再到现今的800GQSFP-DD和OSFP封装。这一发展趋势不仅体现了光模块在速率上的持续提升，更展现了其向小型化、热插拔方向的迈进。800G光模块的应用场景日益广泛，涵盖了以太网、CWDM/DWDM、连接器、光纤通道以及有线/无线接入等多个领域。QSFP-DD与OSFP尺寸对比800GQSFP-DD外形规格：双密度四通道小型可插拔高速模块。QSFP-DD是目前800G光模块的首选封装，使数据中心能够根据需要高效增长并扩展云容量。QSFP-DD模块采用8通道电接口，每通道速率高达25Gb/s（NRZ调制）或50Gb/s（PAM4调制），提供高达200Gb/s或400Gb/s的聚合解决方案。800GQSFP-DD的优势：1.具有向下兼容性，兼容QSFP+/QSFP28/QSFP56QSFP封装。2.采用2×1堆叠式一体式cage连接器，可支持单高和双高cage连接器系统。3.通过SMT连接器和1xNcage可实现每个模块至少12瓦的热容量。较高的热容量可以降低光模块的散热功能要求，从而减少一些不必要的成本。4、在QSFP-DD的设计中，MSA工作组充分考虑了用户使用的灵活性，采用了ASIC设计，支持多种接口速率，并且可以向下兼容（兼容QSFP+/QSFP28），从而减少端口成本和设备部署成本。800GOSFP外形规格：OSFP是一种新型光模块，比CFP8小得多，但比QSFP-DD略大，具有8个高速电通道，每个1U前面板上仍支持32个OSFP端口，配合集成散热片可以大大提高散热性能。800GOSFP的优势：1.OSFP模块设计为8通道，直接支持高达800G的总吞吐量，从而实现更高的带宽密度。2、由于OSFP封装支持更多的通道和更高的数据传输速率，因此可以提供更高的性能和更远的传输距离。3.OSFP模块具有出色的散热设计，可以处理更高的功耗。4.OSFP旨在支持未来更高的速率。由于OSFP模块尺寸较大，因此有可能支持更高的功耗，从而支持更高的速率，例如1.6T或更高。800G光模块外形参数对比：QSFP-DD在电信应用中通常是首选，OSFP更适合数据中心环境。两者之间的主要区别是：1）尺寸：OSFP尺寸稍大2）功耗：OSFP的功耗略高于QSFP-DD。3）兼容性：QSFP-DD与QSFP28和QSFP+完美兼容，而OSFP则不兼容。03800G光模块的类型800G=8*100G=4*200G，因此根据单通道速率可以分为两类，即单通道100G和200G。对应的架构如下图所示。单通道100G光模块可以快速实现，而200G对光器件的要求更高。由于目前电接口支持的最大速率为112GbpsPAM4，对于单通道200G的情况，需要变速箱进行转换。8个100GbE、2个200GbE对于多模的情况，800G光模块主要有两种标准，对应传输距离小于100m的情况。1）800GSR8它采用VCSEL方案，波长为850nm，单通道速率为100GbpsPAM4，需要16根光纤。这可以看作是400GSR4的升级版本，通道数量增加了一倍。其光接口为MPO-16或2排MPO-12，如下图所示。800GSR8光模块一般用于800G以太网、数据中心链路或800G-800G互连。MPO-16或MPO-12两排2)800GSR4该方案采用850nm/910nm波长，双向传输，利用模块中的DeMux将两个波长分开。单通道速率为100GbpsPAM4，需要8根光纤。与SR8相比，该方案的光纤数量减少了一半。其框图如下图所示：800GPAM4CDR其光纤接口如下图所示，采用MPO-12接口。MPO-12双向对于单模的情况，800G光模块有多种标准：1)800GDR8、800G2xDR4和800GPSM8这三个标准的内部架构相似，都是8发8收，单通道速率100Gbps，需要16根光纤。800GDR8光模块采用100GPAM4和8通道单模并行技术，通过单模光纤的传输距离可达500m，通常应用于数据中心、800G-800G、800G-400G、800G-100G互连。800GPSM8采用CWDM技术，拥有8个光通道，每个光通道传输速率为100Gbps，支持100m的传输距离，非常适合长距离传输和光纤资源共享。800G2DR4是指2个“400G-DR4”接口，2DR4的光接口为2个MPO-12，如下图所示，可与400GDR4光模块互连，无需光纤分支电缆，支持500m传输距离，方便数据中心升级。PSM8和DR8的光接口是MPO-16。双MPO-122)800G2xFR4和2xLR4这两个标准的内部结构相似，均包含4个波长，单通道速率为100Gbps。通过Mux减少光纤数量，需要4根光纤，如下图所示。双400GPAMCDR这两种解决方案是400GFR4和LR4光模块的升级，使用1271/1291/1311/1331nm的CWDM4波长。2xFR4支持传输距离2km，2xLR4支持传输距离10km。其光接口采用双CS或双双工LC接口。3）800GFR4该方案采用四个波长，单通道速率为200Gbps，需要两根光纤支持2km的传输距离，如下图所示。它采用双工LC光接口，如下图所示。双工LC光接口4）800GFR8该方案采用8个波长，每个波长的速率为100Gbps，需要两根光纤支持2km的传输距离，如下图所示。八个波长通道分别为1271/1291/1311/1331/1351/1371/1391/1411nm。04Al对800G光模块部署的影响为什么对于AI服务器来说，800G比400G更为重要？首先，AI服务器需要高数据传输速率和低延迟，需要与底层带宽相匹配的架顶式交换机。这些交换机可能还需要延迟冗余，这就需要高速光模块。例如，NVIDIADGXH100服务器配备8个H100GPU模块，其中每个GPU需要2个200G光模块。因此，每台服务器至少需要16个200G模块，相应的架顶交换机端口至少需要4个800G。其次，800G光芯片具有更高的成本效率和经济效益。它们使用100GEML芯片，而200G/400G使用50G光芯片。数据显示，同等速率下，一颗100G光芯片的成本比两颗50G光芯片低30%。尽管如此，400G光模块在行业中仍然具有重要意义。虽然它们可能