随着数据中心流量与AI工作负载的持续攀升，传统的铜线已难以满足计算与数据密集型AI模型训练的需求。相较之下，光纤在数据吞吐量与能源效率上明显胜出，并能有效为系统“降温”。由于铜的功耗远高于光纤，数据中心工程师正在更仔细地研究每位所需的皮焦耳(pJ/bit)。目前，光收发器的能耗已降至约15pJ/bit，未来几年甚至可望低于1pJ/bit。
光纤的另一大优势是传输距离。以相同的功率脉冲计算，光纤所能传输的距离远超过铜线，保守估计可达10倍至30倍甚至更多。这种长距离传输能力不仅使跨数据中心传输数据变得可行，更促成了新型数据中心架构的诞生。尽管如此，电缆设计人员仍在努力推进铜线的速度与距离，靠着低成本优势、电缆设计与冷却技术的进步，延续其生命周期。不过，即使如此，当数据传输速率达到100Gbps与200Gbps时，铜线仍需依赖重定时器(retimer)与中继器(repeater)来维持信号质量。
随着200Gbps与400Gbps等更高数据传输速率的到来，铜线的发展空间愈发受限。在硅光子技术迈向晶圆级光组件与光中介层大规模量产的背景下，市场对于铜线的信心正在动摇。集成型硅微光学器件、反射镜、微透镜阵列、波导、光栅与激光器等光组件，显然更符合AI的发展方向，也很少再有人坚持铜线方案的可行性。
硅光子封装路径。(来源：IDTechEx)
当然，铜线在短距离、低速数据连接上仍具成本优势，但这些优势已无法抵消它的局限性。如今，以铜为基础的数据中心现在看来就好像真空管一样过时。铜线的缺点很多，包括高耗能、体积大、重量重、带宽不足、高误码率与数据包易丢失等等。
即使不列举这些缺陷，铜线本身也限制了数据中心的架构弹性，反观光纤，可以为设计带来更多自由度。使用光纤后，系统架构师可以灵活配置集群、服务器、交换机、配电 与冷却系统，因为光纤可在数公里内稳定的进行节点通信，必要时甚至可延伸至十公里以上，而铜线在超过十米以上就面临挑战，甚至在三米距离下传输100Gbps或200Gbps都可能出现问题。
在以铜为主的数据中心中，设计师不得不将内存、GPU、CPU、NPU与加密模块尽可能的靠近配置，无论是位于机架还是集群内，这些近距离配置的策略都是为了确保数据速率、误码率与功耗表现。然而，这种配置不仅扰乱了电源供应与分配的设计策略，也导致数据中心内部热梯度会出现剧烈变化，难以进行TB级AI工作负载的庞大数据迁移。在铜线数据中心中，从能源、冷却、时间与可靠性角度来看，这种迁移并不实际，相对地，光纤数据中心在各方面都更接近理想的规格情况。
光纤速度更快、功耗更低、覆盖范围更广，为数据中心架构师提供了灵活性，可以最大限度地减少计算和通信拥塞。数据与电力的均匀分配成为可能，有助于降低单一机架的峰值功耗与冷却需求，进一步提升平均故障间隔时间(MTBF)，并减少数据中心能源崩溃的风险。
AI等先进数据中心的光收发器发展趋势。(来源：IDTechEx)
光收发器设计矩阵描绘了当前800G光收发器的技术蓝图。如今的数据中心正逐步淘汰旧有的100G收发器，改用400G与800G的新一代收发器。这些新一代的收发器具备比前一代高出2至8倍的带宽与通道速率，有助于缩短AI模型的训练时间。
光收发器由接收器与发射器组成。发射器将电子数据转换为光调制信号，接收器则将光信号还原为电子数据。
电子数据可来自网络、处理器、存储设备或接口(如PCIe)，并通过1310nm波长的EML激光器进行调制，传送至低损耗光纤耦合单元(FAU)，再连接到发送光纤。接收端的光信号则经由接收光纤导入光电探测器，转为电信号后经放大与处理，最终将数字数据流送回处理器、存储单元或网络交换机。
电-光转换所需的功能组件。
为了充分发挥收发器性能，需考虑波分复用(WDM)、数字信号处理(DSP)为基础的相干调制技术，以及激光器与光电二极管所支持的数据速率。这三项技术构成了光收发器通往更高数据传输速率、更低功耗的技术路径。目前在800G以及未来的1.6T与3.2T光收发器中，50、100与200Gbps的PAM4调制激光器与光电二极管备受关注，此外可提供多光谱输出的梳状激光器(comb laser)也备受瞩目。
相较于传统的单激光器/单光电二极管的收发器，800G WDM收发器通常搭载四个激光器，分别运作于四种不同的标准波长下——如数据中心常见为O-band。这些经调制后的光信号再经光数据多路复用器整合，导入硅(SiN)波导、光点转换器与反射镜，最终通过引导至光纤耦合单元(FAU)进入传输光纤。WDM利用其不同波长光波间互不干扰的特性，使得单一光纤能同时承载四倍带宽。
针对在GPU之间的光互连，WDM收发器可与PCIe总线整合，这需要搭配两颗光SerDes芯片：一颗将PCIe串行电子信号转为四通道WDM格式，另一颗则将WDM并行光信号还原为PCIe串行数据。
在AI应用中，光收发器是能源效率评估的起点。以800G收发器为例，其功率约为15W，若除以800Gbps传输带宽，即为每位能耗为18.75 pJ。换算公式为：1W = 1J/s，故15W ÷ 800Gbps = 18.75pJ/bit。
其中，发射器部分(包含激光器与热电冷却器)是功耗与热管理的关键，而DSP芯片也因高功耗而备受关注。线性可插拔光模块(LPO)是比较省电的方案之一，通过去除DSP可节省3～5W功耗，但仅适用于短距离通信。随着光纤距离拉长，误码率增加，最终仍需依赖DSP以维持稳定的传输质量。
AI数据中心正加速部署光收发器，并从铜线技术全面转向光纤。虽然光纤相较于铜有着众多的优势，但真正推动转型的动力来自于市场需求：AI是未来企业与基础设施的关键。光本身的吸引力以及光计算的前景也发挥了重要作用，尤其是“光计算”这项新兴技术，将矢量矩阵计算从电子领域带入极低功耗的光子领域，正展现出极大的应用潜力。
(原文刊登于EDN姊妹网站Embedded，参考链接：Taking Copper out of the AI Data Center Energy Equation … The Optical Transceiver Design Path Forward。)
满足更高数据吞吐量和更高能源效率的需求，光互连技术越来越受到关注。
最前沿的电子设计资讯
