tia芯片国内首款2Tbs三维集成硅光芯粒成功出样

发布时间 : 2024-10-08

作者 : 小编

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国内首款2Tbs三维集成硅光芯粒成功出样

IT之家 5 月 10 日消息，国家信息光电子创新中心（NOEIC）公众号昨日发布博文，携手鹏城实验室组建光电融合联合团队，成功研制出国内首款 2Tb / s 硅光互连芯粒（chiplet），且在国内首次验证了 3D 硅基光电芯粒架构，实现了单片最高达 8×256Gb / s 的单向互连带宽。

2Tb / s 硅基 3D 集成光发射芯粒图源：NOEIC

2Tb / s 硅基 3D 集成光接收芯粒图源：NOEIC

该团队在 2021 年 1.6T 硅光互连芯片的基础上，进一步突破了光电协同设计仿真方法，研制出硅光配套的单路超 200G driver 和 TIA 芯片，并攻克了硅基光电三维堆叠封装工艺技术，形成了一整套基于硅光芯片的 3D 芯粒集成方案。

硅光互连芯粒的侧向显微镜结构图源：NOEIC

经系统传输测试，8 个通道在下一代光模块标准的 224Gb / s PAM4 光信号速率下，TDECQ 均在 2dB 以内。通过进一步链路均衡，最高可支持速率达 8×256Gb / s，单片单向互连带宽高达 2Tb / s。

8×224Gb / s 硅基光发射芯粒输出眼图图源：NOEIC

成果将广泛应用于下一代算力系统和数据中心所需的 CPO、NPO、LPO、LRO 等各类光模块产品中，为国内信息光电子技术的率先突围探索出可行路径。

IT之家附上参考地址

光模块行业研究：AIGC高景气持续，800G+产品需求旺盛

（报告出品方：中国平安）

催化：AIGC刺激，800G+数通光模块开始担当大任

催化：受益于AIGC带来的数据交换和传输需求，高速光模块得到广泛应用

AIGC带来了整个数据中心结构的变革，数据中心端口规模和东西向数据流量大幅增加，汇聚和核心层压力巨大，扩容投入急速上升。网络架构从三层传统架构转向两层叶脊架构。其中，Leaf交换机取代接入交换机功能，直接连接服务器；Spine交换机与所有Leaf交换机相连；新的架构下，数据中心可以接入更多的端口，无论是服务器还是交换机，但同时也需要更多的光模块进行数据转换和传输，尤其是400G和800G的光模块在数据中心中得到广泛应用。

光模块：收发和转换光电信号，支撑着网络、计算等设备的协作与连接

光模块主要用于光电信号的收发和转换，通过它可以实现与各种类型设备的无缝协作和连接，包括交换机、路由器、服务器和存储设备，应用非常广泛。光模块主要由光发射器（TOSA）、光接收器（ROSA）、光源、光电探测器、连接器和外壳（Housing）等组成。光模块的基本原理：发送接口输入一定码率的电信号，经过内部的驱动芯片处理后由驱动半导体激光器（LD）或者发光二极管（LED）发射出相应速率的调制光信号，通过光纤传输后，接收接口再把光信号由光探测二极管转换成电信号，并经过前置放大器后输出相应码率的电信号。

核心部件：光电器件是重要组成部分，包含TOSA和ROSA

TOSA（Transmit Optical Sub-Assembly，光发射组件）：主要负责将电信号转换为光信号，由光源（发光二极管或激光二极管）、光接口、监控光电二极管、金属或塑料外壳、电接口组成。光源多数采用激光二极管，功耗低、功率大并且耦合效率高。 ROSA（Receiver Optical Sub-Assembly，光接收组件）：其主要功能是将TOSA传来的光信号转换为电信号。ROSA包含光电二极管 (PD)、光接口、金属或塑料外壳以及电接口。

产业链：上游主要是光芯片和器件，下游面向光通信设备及服务器厂商

上游：主要是光电芯片设计和光器件厂商，其中光电芯片国内发展较晚，国产化水平相对较低，目前源杰科技、长光华芯和华为海思等正在积极突破；光器件国产化水平较高。下游：直接客户是光通信设备厂商和服务器厂商，如华为、中兴、烽火通信、浪潮信息、联想等，最终客户是运营商、云计算厂商以及企业网客户。

分类：封装方式和接口速率是最主要的标准，且持续在演进

产品分类：按封装方式、光口速率、传输距离、调制格式、是否支持波分复用、适用的光纤类型、光接口工作模式、光芯片类型、连接器接头类型、使用方式、工作温度范围等。其中，封装方式、接口速率是最主要或者常见的分类标准。应用分类：以太网、光纤传输、光互联、波分复用、无线前传和回传、有线接入。前三类主要用于数通网络，无线前传和回传、有线接入主要是电信网络场景。

分类|按封装：SFP和QSFP是主流，800G主要使用QSFP进行封装

光模块的封装主要是光模块的外形结构，保证了通信的稳定性和可靠性。随着封装技术的进步，封装体积正逐渐变小，在速率、功耗、距离、成本等方面也在不断地向前发展和改善。光模块封装类型有很多，像1*9、SFF、GBIC、X2、XENPAK、XFP等封装目前已经不常见，常见的是SFP（小型化可热插拔）系列和QSFP（四通道小型可热插拔）系列。

分类|按速率：适应当前AIGC高速传输需要，800G逐步开始担数通大任

随着对更快数据传输的需求的激增，800G光模块因其高带宽、高传输速率、高密度和未来扩展好而受到广泛关注。应用场景涵盖了AI 数据中心、HPC以及5G网络等方面。从技术准备来讲，2020-2022年间各主要厂商已经推出了800G产品，并持续向小型化、热插拔的方向迈进。从封装模式上看，主要采取的是QSFP-DD和OSFP封装模式；基于单通道速率，800G光模块大致可分为单通道100G和200G两类。

发展趋势：光互联提速节奏加快，光模块升级时间间隔持续缩短

从趋势上看，随着AI等数据处理密集型的应用持续演进，数通光模块性能提升的速度将加快。在2022年之前，整个光互联网络的升级是以四年为一个阶段；在2022年之后，升级周期缩短为两年，光模块800G是当前数通领域的主流，1.6T也开始崭露头角。从主要路径上看，主要依托单波长传输速率的提升。

技术演进：改进封装技术，提升通道数量

增加通道数不需要增加带宽或者调制复杂度，技术原理相对简单，主要就是考虑如何放置更多的光器件，如何在有限的空间内进行多路光通道接口，同时兼顾电通道连接、密度、功耗等。但是，由于光模块整体空间有限，封装通道数量不具备持续提升的潜力。目前看，实现16通道的封装难度都较大。

市场：1.6T上量，2024年数通光模块将实现高速增长

市场|整体：2023年市场增速处阶段低点，2024年数通光模块有望实现高增长

光模块的市场规模主要受到电信和云厂商（CSP）资本支出的影响，但其中来自CSP方面的投入波动影响最大。其中2019年的下行周期，就主要是来自于云计算厂商的收缩；而在2022年年底，云厂商又开始了新一轮的压缩开支，计算和网络的投入均谨慎，致使2023 年初行业压力都较大。但之后由于AI对高速光模块市场的拉动，2023年行业全年仍实现增长。 Lightcounting数据显示，预计2024年，800G将成为市场主流，需求火热，1.6T也将开始放量，整体市场增速有望超过40%，其中数通光模块增长预计最为迅速。预计2025年，行业还将增长20%以上，2026-2027年增速还将维持在两位数以上。

市场|24Q1：下游云厂商资本支出上升较快，数通光模块实现快速增长

2024Q1，光通信市场出现明显分化，电信市场非常低迷，数通领域资本支出快速上升，Lightcounting数据显示，2024Q1主要云计算/ 互联网厂商资本支出整体增长26%。从谷歌、微软最新财季的资本支出看，1季度均出现了高速增长。受益于数通光模块的需求的增长，Q1光学元件及光模块表现出快速增长势头。Lightcounting数据显示，2024Q1光通信组件收入增长 72%；其中，中际旭创2024年第一季度营收同比增长164%，环比增长21%；新易盛Q1营收环比增长10%，同比增长85.5%； Coherent的网络部门收入环比增长18%，同比增长12%。

市场|竞争格局：中国厂商竞争力较强，23年前十光模块厂商中占7席

从全球光模竞争格局看，中国占据着重要地位。近年来，随着国内光模块需求的快速增长以及对海外云计算厂商的供应的增加，中国厂商占全球光模块收入的比重保持在较高水平。Lightcounting数据显示，2018-2023年占比在25-35%之间；未来三年（2024-2026），北美市场可能因为AI建设光模块采购提速，相应的西方厂商可能更为受益，中国在全球的份额可能受到压制；但长期看，随着国内市场在芯片等方面的突破，国内通信、数通领域的国产化需求均将增加，国内厂商在全球市场中的份额也将有所回升。从最新企业排名来看，2023年前十企业中，中国占据了7家，Coherent已经从上年的与中际旭创并列第一，下滑到了第二；思科从第2 位下降到了第4；Marvell上升到了第10。

市场|产品结构：800G和400G将是主流，硅光方案占比将持续提升

Lightcounting数据显示，2022年800G数通光模块开始起量，市场规模持续扩大，预计到2028年800G及以上速率的光模块市场规模占比超过50%，400G占比排第二位。 AI相关数通光模块增长较快，份额扩大。1）VCSEL主要用于短距离通信，如GPU之间的连接；2）短期看，主要动力来自于800G产品，主要基于100G VCSEL和EML激光器；3）中长期动力来自于1.6T，主要基于200G EML、DFB以及VCSEL激光器。

趋势：技术演进快速，LPO、CPO及硅光应用加快

LPO：交换机系统功耗快速上升，LPO将是解决途径

随着数据中心转换速度的提升，光模块带来的功耗快速提升。FS数据显示，早期的10G光模块的功耗在1W左右，到了800G时功耗上升至30W，光模块的功耗占交换机的功耗占比也持续上升；相比2010年，2022年整体交换机系统功耗提升了22倍，光通信设备提升了 26倍，给数据中心的节能和降本都带来了很大压力，光模块降低功耗的需求快速上升。LPO就是解决能耗高的重要途径之一。

LPO：传统光模块中DSP、光引擎是耗能大户，需要进行优化

传统方案中：1）发送端，将数字信号转换为模拟信号；2）接收端，将模拟信号转换为数字进行接收。但是，传输过程中数据容易失真，因此需要应用DSP进行修复。具体修复工作包括数字时钟恢复、色散补偿功能等。除了DSP之外，光模块中的电芯片还包括激光驱动器（LDD）、跨阻放大器（TIA）、时钟数据恢复芯片（CDR）等。其中CDR也用于数据还原，从接收的向好中提取出数据序列，并且恢复出与数据序列相对应的时钟序列信号，从而还原出具体的信息。能耗排序看：DSP是耗能大户，占49%；作为收发核心的光引擎，耗能占比达到27%；激光器能耗占比达到12%。

LPO：利用线性驱动替代DSP，AI数据中心场景具备应用潜力

LPO：所谓“线性驱动”，通过线性直驱技术替换传统的DSP，将功能集成到交换芯片中，只留下驱动芯片（Driver）和跨阻放大器（TIA）芯片。LPO光模块中用到的Driver和TIA芯片性能也有所提升。由于去除了传统的DSP（数字信号处理）/CDR（时钟数据恢复）芯片，实现系统降功耗、降延迟的优势，但系统误码率和传输距离有所牺牲。该技术适用于数据中心等短距离传输场景。

LPO：云厂商、设备商积极布局LPO线性直驱方案，最新100G产品已经应用

由于LPO在能耗上表现相对优秀，同时兼具着可插拔维护便利的优势，目前市场上从上游芯片、交换机到下游终端用户均在重视LPO 技术发展与应用，具备应用潜力。目前，厂商如Arista、Broadcom、Cisco、Credo、新易盛、中际旭创、MACOM、Marvell、Nvidia 和Semtech等厂商，均在LPO领域进行了布局。 LPO将适用于多模(VCSEL)和单模应用(EML、SiPh)，但与TFLN、BTO和Organics等线性调制器结合使用效果最佳。LPO的技术生态系统已经准备就绪，100G SerDes 已集成到最新的网络交换机芯片中。

CPO：实现交换芯片与光芯片共封装，实现更好能效和交换性能

除了LPO的封装路径之外，随着光模块向800G光模块演进，CPO（Co-Package Optics）的成本和技术优势将逐渐凸显。 CPO利用激光而非电子信号来传输数据。通过将光学器件和电子元件封装在一起（光器件+交换芯片），CPO实现了光信号和电信号处理的深度融合。这一转变标志着从传统光学模块中的“电互连”向真正的“光互连”的转变。

CPO：博通在OFC上推出了带有CPO的51.2T交换机系统

博通作为重要的交换芯片和光电子芯片的厂商，在CPO芯片和交换机产品方面持续取得进展。2021年公司宣布进军CPO领域，2022年8月宣布腾讯和锐捷成为该领域的合作伙伴，2024年3月，公司开始向客户交付51.2T以太网交换机Bailly。公司基于CPO的51.2T交换机：含有8个6.4T FR64光引擎，每个光引擎含有64通道的PIC和EIC芯片。另外，EIC上的驱动器和TIA（跨阻放大器）采用CMOS技术，单通道信号传输速率为100Gbps；PIC集成支持CWDM4波长（1271nm、1291nm、1311nm和1331nm）的复用器/解复用器。