光模塊中DSP芯片的作用是什么

ChatGPT引發(fā)全球開(kāi)啟 AI大模型軍備賽，受此影響，AI算力市場(chǎng)增勢(shì)顯著，數(shù)據(jù)中心擴(kuò)容和升級(jí)在即。其中，光模塊作為數(shù)據(jù)中心設(shè)備互聯(lián)的關(guān)鍵載體，需求量隨之增長(zhǎng)，與此同時(shí)，降低功耗、成本，并提升能效仍然是核心訴求。

AI驅(qū)動(dòng)下，數(shù)據(jù)中心光模塊量?jī)r(jià)齊升

光模塊作為光纖通信的核心組成部分，主要用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)傳輸過(guò)程中光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換功能。據(jù)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量、帶寬等推算，近年來(lái)，光模塊速率約每三年左右提高一倍。當(dāng)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(lǐng)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(duì)于通用服務(wù)器和AI服務(wù)器來(lái)說(shuō)，所用光模塊有什么區(qū)別？業(yè)內(nèi)進(jìn)行過(guò)相關(guān)測(cè)算：一臺(tái)傳統(tǒng)服務(wù)器約需要配置 4-6 個(gè)光模塊，一臺(tái)AI服務(wù)器則需要8-10 個(gè)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(shè)投入100億搭建一個(gè)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(qū)動(dòng)下，數(shù)據(jù)中心光模塊將呈現(xiàn)出量?jī)r(jià)齊升的態(tài)勢(shì)。

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(qū)動(dòng)、TIA、CDR和DSP等。LightCounting預(yù)測(cè)，從2022年到2027年，光模塊電芯片市場(chǎng)的CAGR增長(zhǎng)率將為18%，市場(chǎng)總額從當(dāng)前的24億美元增長(zhǎng)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(diào)節(jié)衰減光信號(hào)，是高速光模塊中最核心的電芯片。當(dāng)光傳輸速率達(dá)到50Gb/s以上，光纖偏振模色散影響加劇，嚴(yán)重影響鏈路有效傳播距離與信號(hào)質(zhì)量，因此業(yè)界最常用的方法是通過(guò)DSP對(duì)抗與補(bǔ)償，來(lái)降低失真造成的系統(tǒng)誤碼率。業(yè)界一度認(rèn)為在200G以上光模塊中，DSP基本屬于必備器件。

不過(guò)，DSP雖然具有很強(qiáng)的信號(hào)恢復(fù)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(hào)處理單元。有分析顯示：約在10年前，DSP剛用于光模塊時(shí)，工藝節(jié)點(diǎn)是65nm，設(shè)計(jì)成本2400萬(wàn)美元；到2020年7nm產(chǎn)品推出時(shí)，設(shè)計(jì)成本已高達(dá)2.5億美元左右；預(yù)計(jì)5nm節(jié)點(diǎn)時(shí)，芯片設(shè)計(jì)成本將達(dá)到4.5億美元。

高額投入下，市場(chǎng)份額較小的廠商逐漸退出競(jìng)爭(zhēng)。光模塊DSP市場(chǎng)頭部效應(yīng)越來(lái)越明顯，國(guó)際上有inphi（已被Marvell收購(gòu)）、Broadcom，國(guó)內(nèi)有華為海思，幾乎沒(méi)有其他國(guó)內(nèi)玩家參與，基本成為寡頭壟斷的市場(chǎng)。

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(shù)的CDR芯片。16nm DSP解決方案的400G OSFP/QSFP-DD的設(shè)計(jì)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(jí)到7nm，約能實(shí)現(xiàn)65%的功耗降低。

不論對(duì)于光模塊本身，還是交換機(jī)前面板的熱設(shè)計(jì)，DSP的功耗問(wèn)題越來(lái)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(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的DSP，但這帶來(lái)了成本和功耗的權(quán)衡問(wèn)題。

“去DSP”趨勢(shì)顯著

AI高算力背景催生低功耗、低延時(shí)光模塊需求，LPO(Linear-drive Pluggable Optics) 線性直驅(qū)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(shù)路線，這兩種方案都不再依賴(lài)DSP。

LPO線性直驅(qū)方案

LPO 被認(rèn)為深度契合了AI短距互聯(lián)、低功耗、低延時(shí)的需求，且技術(shù)更新迭代相對(duì)較小，有望成為800G 時(shí)代的重要補(bǔ)充方案。據(jù)業(yè)內(nèi)公開(kāi)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(nèi)人士認(rèn)為，LPO的最大優(yōu)勢(shì)不是降成本，而是降功耗。在現(xiàn)有光模塊架構(gòu)中，它能夠?qū)崿F(xiàn)50%左右的降功耗效果，對(duì)相關(guān)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(guò)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(duì)高速信號(hào)進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償。相較DSP方案，LPO可大幅減少系統(tǒng)功耗和時(shí)延，保證傳輸性能的同時(shí)降低成本，并保持可插拔特性便于后續(xù)維護(hù)。

LPO代表廠商主要有Macom、Semtech、美信（已被ADI收購(gòu)），博通也在跟進(jìn)這一方向。前三家廠商在電芯片領(lǐng)域有一定優(yōu)勢(shì)，都在大力推動(dòng)LPO線性直驅(qū)驅(qū)動(dòng)和TIA芯片。MACOM最新推出的800G線性驅(qū)動(dòng)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(xué)器件（如激光器、調(diào)制器、光接收器等）封裝在芯片級(jí)別，直接與芯片內(nèi)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(xué)器件的一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新是將光學(xué)器件移動(dòng)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(luò)交換機(jī)系統(tǒng)的光接口從交換機(jī)外殼前端的可插拔模塊轉(zhuǎn)變?yōu)榕c交換機(jī)芯片組裝在同一封裝中的光模塊。

基于這種封裝模式，光學(xué)元件直接嵌入到芯片中，內(nèi)部電路距離更近，減小了電信號(hào)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(xué)和電子之間的互聯(lián)可靠性。并且，CPO可以減少能量轉(zhuǎn)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(lǐng)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(shù)路徑為硅光集成加外置光源，依然存在可靠性較低、維護(hù)較難的問(wèn)題，成為主流應(yīng)用還有諸多因素要克服；LPO作為一項(xiàng)新技術(shù)，根據(jù)預(yù)測(cè)可望在2024年底首次實(shí)現(xiàn)部署；在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，傳統(tǒng)的可插拔光模塊仍將是首選，7nm向5nm DSP的演進(jìn)在加快，以滿(mǎn)足越來(lái)越嚴(yán)苛的功耗需求。

寫(xiě)在最后

大模型、大數(shù)據(jù)、大算力日益成為AIGC應(yīng)用的核心，其中，算力作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，正在面臨全面升級(jí)的需求。除了核心GPU處理器，通信因素也會(huì)成為短板，只要一條鏈路出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻塞，就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)延遲。因此，AI服務(wù)器對(duì)于底層數(shù)據(jù)傳輸速率、延時(shí)要求等非常苛刻，進(jìn)而對(duì)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(shù)路徑的沖擊和挑戰(zhàn)。特別是今年以來(lái)，光模塊“去DSP”趨勢(shì)顯著。這是光模塊領(lǐng)域的重要信號(hào)，或許會(huì)改寫(xiě)未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)格局，并有望引領(lǐng)光模塊、光芯片走向新的技術(shù)路徑。

編輯：黃飛