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高速率光模块在数据中心的应用

2019/7/25 2:20:46


在数据中心里,光模块处处存在,却很少有人提及。其实光模块已经是在数据中心里应用最广的一类产品了。如今的数据中心基本都是光纤互联,线缆互联的情况已经越来越少,所以没有光模块,数据中心根本没有办法运转。光模块是通过光电转换,在发送端把电信号转换成光信号,然后通过光纤传送后,在接收端再将光信号转换成电信号的作用,也就是任何一个光模块都是有收发两部分功能,做光电转换和电光转换,这样在网络的两端设备上都离不开光模块。一个中型数据中心里的设备都成千上万,要实现这些设备的全部互联,至少要耗费数千个光模块。虽然单个的光模块价格并不高,但是量却很大。如此算起来,数据中心采购光模块的总体造价也不低,有时甚至超过了一般网络设备的采购金额,成为数据中心里的一个细分市场。


数据中心/云计算系统在更高带宽和更低功耗上的需求越来越迫切,AOC有源光缆是满足此需求的最优解决方案之一。AOC有源光缆与互联铜缆相比拥有许多显著的优势, 比如在系统链路上的传输功率更低,重量仅为直连铜缆四分之一,体积略为铜缆的一半,并且在机房布线系统中具有更好的空气流动散热性,光缆的弯折半径比铜缆做得更小,传输距离更远(可以达到100~300米),且产品传输性能的误码率也更优,BER可以达到10^-15。与光收发模块相比, AOC有源光缆由于存在不外露的光接口,不存在光接口清洁和被污染的问题,系统稳定性和可靠性大大提升,并且降低机房维护成本。


互联网和智能终端的快速应用使全球数据量爆发式增长,极大地推动了以高速路由器,超级计算和存储为核心的高性能超算中心(HPC)和数据中心市场的发展。有源光缆产品是这些核心设备之间的主要互连方式之一, 来自CIR的有源光缆市场研究报告显示,其市场规模2012年达到7.2亿美元,预计2017年这一数字翻一倍,达到19亿美元,前景可观。

随着提供40G/100G端口的服务器,交换机等设备在数据中心的逐步规模商用,对于高速光互连产品的需求也越来越多,当前国内器件厂商不断研发和创新光互连技术,对高速集成并行光学模块和高频信号完整性技术进行深入理解和研究。光互连产品的关键需求在于高速率,高密度,低成本,低功耗。目前市场主流高速光互连产品包括10Gbps SFP+ AOC ,40Gbps QSFP+AOC,56G QSFP+AOC 和120Gbps CXP AOC等。

100G SFP transceiver

光模块体积虽小,但是作用却不小,没有它什么数据中心都玩不转。随着数据中心市场不断扩大,直接带动了光模块市场不断发展。最近五年全球光模块市场快速增长,早在2010年全球光模块市场销售收入只有28亿美元,而到了2014年,全球光模块市场规模就已超过41亿美元,到2019年预计光模块市场销售收入将增加至66亿美元。光模块向着超高频、超高速和超大容量发展,预计到2017年,全球10G/40G/100G光模块收入将达到31亿美元,在总体光模块市场的占比将超过55%。其中,40G光模块和100G光模块的年复合增长率将分别高达17%和36%,巨大的市场需求让不少的厂商投入其中。也正是看到了光模块市场的巨大利润,很多人铤而走险,做仿冒光模块的生意。比如直接从光模块厂家大批采购光模块,然后批发给其它销售商或者数据中心客户。还有一些干脆冒充正规光模块厂家的模块,以次充好,用低廉的价格换取高额利润。一旦使用了这种劣质光模块,风险可能随时降临。有些劣质光模块发热量大,有的光模块错包极多,有的光模块运行不稳定,有的光模块内部信息记录错误等等,市场上早已有大量劣质的光模块,扰乱了这个市场。不过这也从侧面反映了光模块市场比较火的事实。

其实打开光模块的内部,就能看到构造比较简单,并不涉及多么复杂的电路,唯一 一点就是对生产工艺要求比较高,工艺制作不好将大大影响其光路质量,就可能与对端光模块无法对接,或者经常产生一些链路错包,影响数据转发。尤其是如今40G、100G这类高速光模块,往往对光模块的生产工艺提出了更多的要求,这样并不是所有的光模块厂家都能生产这种100G光模块,这也使得100G光模块的价格一直维持在高位。光模块其实是一个对技术要求很高的产品,技术含量高,光模块本身制作材料成本并不高,而是技术附加值高,因为要研发一款光模块,往往需要光学、电路技术、网络等多方面的科研人员,要投入大量的科学研究,这方面的人力投入是巨大的,都要算到制作光模块的成本之中,这样就使得光模块的价格维持在高位。当然和服务器、网络设备相比,光模块的利润还要更高,不像服务器、网络、存储等细分市场竞争已比较充分,光模块市场竞争则良莠不齐,几个国外的光模块大厂占据主流供应商地位,国内的几家光模块厂家也能分得不少市场,总体来讲光模块厂商这几年要好过得多。尤其随着数据中心对40G/100G光模块需求的不断增加,市场给光模块厂商带来了足够多机会,并且这些高速模块利润都比较高。

要提供质量可靠、符合数据中心使用要求的光模块并非易事。这几年数据中心其它方面的技术也在不断提升,对光模块的要求也越来越高。

第一就是要速率高,目前服务器的接口正在从1G到10G,而汇聚交换机从10G到40G/100G,一旦形成标准,具体的光模块设计研发也将展开,将可能进一步提升数据中心的网络带宽能力。

第二是要绿色环保,功耗小。数据中心的耗电量非常大,计算发热的功耗是很大的浪费,一个10G的光模块工作功耗如果是3W,那么一个48万兆的交换板卡仅光模块的功耗就要达到144W,如果一个插满16块板卡的网络设备,则就要2300W,这相当于同时点23盏100W的灯泡,非常耗电。

第三要高密度,节省空间。光模块虽然速度越来越高,却可以被设计得越来越小,以前的GBIC光模块只有千兆的速率,个头比现在的10G还大。以前的100G光模块口要近10CM长,而现在100G光模块和10G大小无差别。在一块板卡上就可以做48个100G端口密度。

第四要低成本,100G光模块价格过高也在一定程度上抑制了部分市场需求,很多数据中心对高昂的100G光模块价格望而却步。因为不仅要考虑光模块,还有与其配套的设备,都需要重新投资,这样综合起来就是不小的开支。100G的光模块若在成本上能有大幅的降低,就会很快在数据中心里普及,目前能够部署100G互联的数据中心是凤毛麟角。所以能够提供优质的光模块也绝非是一件容易的事,需要不断进行研究,提升光模块的制作水平。

光模块虽小,但是在数据中心里的作用不能忽视,尤其是在数据中心对带宽要求越来越高的今天,光模块在一定程度上甚至已经制约了数据中心的发展,因此希望有越来越多的企业加入到光模块的市场当中,促进光模块市场更快发展。可以用“小块头有大作用”这句话来形容光模块在数据中心里的作用,这样讲一点也不夸张。