光互連為數(shù)據(jù)中心解耦架構(gòu)照亮前路

提到數(shù)據(jù)中心，也許大家并不覺得自己跟它有什么強關(guān)聯(lián)。順暢的網(wǎng)購、在線觀看自己喜歡的高清視頻、隨時查看航班飛行情況、高鐵站刷臉進站、刷身份證檢票、隨時掌握世界動態(tài)…這些看起來只是打開幾個APP就能實現(xiàn)的場景，背后流動著的是海量的數(shù)據(jù)。這些便利都得益于數(shù)據(jù)中心所提供的強大算力。

所以，沒有數(shù)據(jù)中心，真的不行?？梢哉f，數(shù)據(jù)中心對于這個追求萬物智能的世界來說是必需品，而日漸龐大的數(shù)據(jù)量和日益復雜的數(shù)據(jù)本身讓數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)也在發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，比如出現(xiàn)了能匯集所有資源的超融合服務器平臺?，F(xiàn)在還有一種新的趨勢，即“數(shù)據(jù)中心解耦架構(gòu)”，也就是將資源分散到不同的模塊中，并以光學方式進行連接。這條發(fā)展路徑就是為了能更有效地處理未來日益龐大的工作負載。

數(shù)據(jù)密集型應用

推動著數(shù)字世界不斷向前

根據(jù)IEEE 802.3以太網(wǎng)帶寬評估報告，推動數(shù)據(jù)增長的相關(guān)數(shù)字十分震撼：

2020年，接入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)量約為290億臺;到2025年，該數(shù)字預計會增長至約380億臺

2017年到2020年，每個用戶和家庭的平均流量預計增加了近200%

視頻是導致帶寬激增的一個主要驅(qū)動因素，2017年視頻所消耗的數(shù)據(jù)份額為75%(每月約90EB)，2020年已達82%(每月約325EB)

社交媒體、電子商務和軟件平臺等行業(yè)的數(shù)據(jù)密集型企業(yè)都在投資建設(shè)自己的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，用于容納數(shù)千至數(shù)萬臺服務器，以提供可擴展性來支持一系列強大的在線業(yè)務和交易。

此外，由于機器對機器的通信增加，數(shù)據(jù)本身也變得越來越復雜，所需的帶寬也更多。隨著數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)復雜性增加，超融合計算平臺應運而生。這類平臺依賴PCI Express 和以太網(wǎng)等高速接口來實現(xiàn)高吞吐量連接，并依賴CXL 2.0和CXL 3.0來實現(xiàn)高效的內(nèi)存共享。服務器的電源、冷卻與機架管理將在服務器之間共享，并通過銅互連進行連接。

光互連為數(shù)據(jù)中心

解耦架構(gòu)照亮前路

為了讓數(shù)據(jù)中心能夠更靈活、更高密度、以及資源分配利用率更高，開發(fā)者們正在努力實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的解耦架構(gòu)。在解耦架構(gòu)中，同類資源(存儲、計算、網(wǎng)絡等)通過光互連進行連接。

這種架構(gòu)的優(yōu)勢之一就是不會浪費資源：一個工作負載需要一定數(shù)量的存儲(x)、計算(y)和網(wǎng)絡(z)資源，在解耦架構(gòu)中，每個工作負載所需的資源會被分配好，并從每個模塊按需調(diào)取，再由光學互連提供用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚倬€路，其余資源則會釋放用于其他工作負載。

相比之下，在超融合服務器中，不管工作負載實際需要多少資源，對于給定作業(yè)的所有存儲、計算和網(wǎng)絡資源都會被鎖定，因此會浪費造成一些資源的浪費。

銅互連憑借其高導電性、低成本、柔軟性和耐熱性，一直發(fā)揮著重要作用。目前，銅主要用于服務器機架中。隨著網(wǎng)絡速度提升，通過銅纜長距離可靠地驅(qū)動數(shù)據(jù)信號所需的功耗和帶寬也隨之增加。這一趨勢為光互連鋪平了道路。光互連現(xiàn)已成為機架到機架、房間到房間和建筑物到建筑物配置中的主要連接方式。光互連是通過光來傳輸信號，因此光互連與金屬互連相比，帶寬更高、速度更快，延遲和功耗也更低，因而非常適合數(shù)據(jù)中心的解耦架構(gòu)。

此外，光互連還可充分利用一些新推出的技術(shù)來實現(xiàn)網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施升級，例如支持400G、800G和1.6T以太網(wǎng)的技術(shù)。這種便利性是通過使用光纜連接可插拔光學模塊來實現(xiàn)的，這類模塊為將光纖電纜連接到網(wǎng)絡設(shè)備這一過程提供了一種相對簡單靈活的方式。

隨著網(wǎng)絡速度增加到400Gbps以上，將電信號驅(qū)動到各個模塊所需的功耗是個挑戰(zhàn)，而這正是共封裝光學技術(shù)(CPO)在芯片上的用武之地。共封裝光學是在單個封裝內(nèi)集成電芯片和光芯片而成。傳統(tǒng)上，電子組件和光子組件通過可插拔模塊來實現(xiàn)，這些設(shè)備連接在PCB的邊緣并朝向服務器機架。但是，由于小型化的發(fā)展趨勢及相關(guān)的要求，在單個封裝內(nèi)集成所有功能會更加可行。如果是連接到共封裝光學中的封裝器件，而不是連接到機架面板中的可插拔模塊上，主機SoC與光接口之間的距離會變得更短，因而功耗會更低。

共封裝光學技術(shù)推動

die-to-die接口IP需求大漲

在系統(tǒng)中采用共封裝光學技術(shù)意味著，光互連必須支持多芯片模塊(MCM)，因而也就需要die-to-die控制器和PHY來實現(xiàn)連接。為了在服務器、網(wǎng)絡和高性能計算SoC中提供高效的die-to-die連接，這些控制器應針對延遲、帶寬、功耗和面積進行優(yōu)化。循環(huán)冗余校驗(CRC)和前向糾錯(FEC)等功能有助于降低誤碼率(BER)。至于PHY，開發(fā)者一直使用的是銅互連的長距離連接方式，但對于具有數(shù)百個PHY通道的大型SoC，這種連接方式逐漸超出物理定律的極限，于是很多開發(fā)者開始轉(zhuǎn)向采用可插拔光學模塊的Very Short Reach(VSR)PHY。隨著共封裝光學日益普及，Extra Short Reach(XSR)PHY以及未來的通用芯片高速互連(UCIe)PHY日后可能會更加受歡迎，因為它們可實現(xiàn)將光子芯片放在非?？拷鳈C芯片的地方，甚至是放在同一個封裝基板上。

新思科技提供了多種解決方案來應對設(shè)計解耦數(shù)據(jù)中心架構(gòu)時所面臨的挑戰(zhàn)，其中包括：

DesignWare Die-to-Die 控制器IP

面向每通道112Gbps晶粒間連接的DesignWare XSR PHY IP

面向VSR的DesignWare 112G以太網(wǎng)PHY IP

DesignWare die-to-die控制器IP與DesignWare XSR PHY IP相集成，為端到端的die-to-die鏈路提供了出色的低延遲性能。這一完整解決方案讓開發(fā)者無需開發(fā)協(xié)議轉(zhuǎn)換棧，即可連接到SoC結(jié)構(gòu)。為了進一步實現(xiàn)先進的多裸晶系統(tǒng)設(shè)計和集成，新思科技提供了面向2.5D和3D設(shè)計的3DIC Compiler統(tǒng)一平臺，該平臺構(gòu)建在Fusion Design Platform的通用單數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)架構(gòu)之上。對于共封裝光學器件，新思科技的產(chǎn)品組合中還包含了OptoCompiler，這是一個面向電氣與光子芯片設(shè)計、布局、仿真和驗證的集成平臺。

在這個數(shù)據(jù)驅(qū)動的世界，只要上網(wǎng)，我們活動所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)就會在數(shù)據(jù)中心走一程。為了能夠更好地處理更加龐大的數(shù)據(jù)量以及更加復雜的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)也在不斷優(yōu)化和改進，超大規(guī)模計算中心和解耦架構(gòu)也因此誕生并逐漸普及。數(shù)據(jù)解耦即通過分離每個組件，讓工作負載只是用它所需要的資源，從而避免其他架構(gòu)中存在的資源浪費情況。光互聯(lián)為數(shù)據(jù)中心解耦架構(gòu)提供了高速連接，賦能我們的生活更加“暢通無阻”。

原文標題：數(shù)據(jù)中心架構(gòu)升級，用光來傳輸數(shù)據(jù)是種怎樣的體驗?

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審核編輯：湯梓紅