Whoscored中文官网 | 编译自 Effect Photonics
数据中心和5G网络可能是热门商品，但它们的基础设施的运行更热。电子设备会产生大量的热量；电子设备散失的热能越多，就必须花更多的钱和精力来给它降温。
Uptime研究所估计，2022年数据中心的平均电力使用效率（PUE）比率为1.55。这意味着，每用1千瓦时为数据中心设备供电，就需要额外的0.55千瓦时（约占总耗电量的35%）为照明等辅助设备供电，更重要的是冷却。虽然集中式超大规模数据中心的出现将在未来十年内提高能源效率，但这一趋势被边缘网络许多较小的本地数据中心的建设所抵消，以应对物联网（IoT）等5G服务的指数式增长。
这些对立的趋势是Uptime 研究所自2014年以来，仅仅观察到平均数据中心PUE有10%的边际改善（当时是1.7）的原因之一。数据中心平均电源效率如此缓慢的改善无法弥补新边缘数据中心的快速增长。
尽管数据中心因其能源消耗而获得了所有的坏名声，但无线传输产生的热量甚至比有线链接更多。虽然5G标准每比特的能效比4G高，但华为预计，他们的一个5G基站的最大功耗将比4G基站高68%。更糟糕的是，使用更高的频的带宽和新的物联网用例也需要部署更多的基站。
来自代尔夫特理工大学的Earl McCune教授估计，5G系统中10瓦的电能有9瓦会变成热量。华为的这项研究还预测，在未来十年内，无线接入网络的能源消耗将比数据中心增长得更快：在2020年和2030年之间翻两番以上。
图-1：2020年和2030年估计的ICT电力消耗比较，按不同的ICT部门划分。资料来源：Anders Andrae（华为），2020年。
这些电源效率问题不仅影响环境，也影响通信公司的底线。在这种情况下，每个可插拔式收发器哪怕只节省一瓦的电力，也能迅速倍增并扩大到对电信和数据通信供应商的可持续性和盈利能力的巨大改善。
一瓦特的节约是如何扩大的
让我们来讨论一个例子，以说明可插拔收发器功耗的一个看似很小的改进是如何迅速扩展为主要的能源节约措施。
微软研究院2020年的一篇论文估计，对于一个由10个数据中心组成的大都市地区，每个中心有16个光纤对，每根光纤有100-GHz DWDM，区域互联网络需要承载12800个收发器。由于400ZR收发器生态系统支持更密集的75GHz DWDM网格，这个收发器的数量在未来几年可能会增加三分之一，所以这个收发器的数量会增加到17000个。因此，在每个收发器中节省一瓦的功率将导致总共17千瓦的节省。
图-2：如果400ZR收发器每个能节省一瓦的电力，在一个由10个相互连接的数据中心组成的城域网中可以获得总的电力节省，以及相当于碳排放。碳排放是用美国环境保护局（EPA）的在线计算器计算的。
然而，省电还不止于此。收发器由服务器供电，服务器再由其电源供电，最终由国家电网供电。平均而言，收发器每使用一瓦特的电力，就必须由国家电网提供2.5瓦特。当采用这个2.5的系数时，我们前面讨论的17千瓦的节约，实际上是42.5千瓦。在一年的电力消耗中，这个比率加起来总共可以节省372兆瓦时的电力消耗。根据美国环境保护局（EPA）的数据，在一个城市数据中心网络中，这些节省的电量相当于264公吨的二氧化碳排放量。这些排放相当于消耗610桶石油，可为33个美国家庭提供一年的电力。
通过集成和协同设计来节省电力
2020年之前，苹果公司用分立元件制造其计算机处理器。换句话说，电子元件被制造在独立的芯片上，然后这些芯片被组装成一个单一的封装。然而，芯片之间的互连产生了损失和不相容性，使其设备的能源效率降低。2020年以后，从苹果公司的M1处理器开始，他们将所有部件完全集成在一个芯片上，避免了损失和不兼容。如下表所示，这种片上电子系统芯片（SoC）与他们前几代计算机中使用的分立元件的处理器相比，消耗的功率只有三分之一。
表1：采用M1 SoC芯片的Mac Mini与前几代Mac Minis的耗电量比较。数据来源：苹果公司网站
光子行业将从类似的目标中受益：实现光子片上系统。将所有的光学元件（激光器、探测器、调制器等）集成在一个芯片上，可以最大限度地减少损失，使光收发器等设备更加高效。这种方法不仅优化了设备本身的效率，而且还优化了耗费资源的芯片制造过程。例如，片上系统的方法能够更早地对半导体晶圆和模具进行光学测试。通过在封装前直接测试裸片和晶圆，制造商只需要丢弃坏的裸片而不是整个封装，这就节省了宝贵的能源和材料。你可以阅读我们之前关于这个主题的文章，了解更多关于系统芯片集成的能源效率优势。
改善光子器件功耗的另一个方法是协同设计其光学和电子系统。协同设计的方法有助于更详细地确定光学和电子系统中各种参数之间的权衡，优化它们之间的配合，最终提高器件的整体功率效率。在相干光收发器的情况下，一个专门为直接驱动磷化铟光学引擎而优化的电子数字信号处理器可以带来功率的节省。
既可持续性又可以盈利
片上系统（SoC）方法不仅可以减少光子器件的碳排放和能源消耗，还可以降低其成本。主导电子半导体行业的规模经济原则也可以降低光子片上系统的成本。毕竟，片上系统最大限度地减少了光子器件的占用空间，使光子学开发商能够在一块晶圆内容纳更多的光子器件，从而降低了每个光子系统的价格。如下图所示，生产的芯片和晶圆越多，每个芯片的成本就越低。
图3：光子集成芯片（PIC）的成本模型是每年生产的PIC总数的函数。产量的指数式增长导致成本的指数式下降。资料来源：模型和图表由埃因霍温大学的Meint Smit教授提供。
将所有的光学元件（包括激光器）集成在一个单一的芯片上，将复杂性从昂贵的封装工艺转移到更实惠和可扩展的半导体晶圆工艺。例如，在晶圆上大批量组合光学元件要比在封装工艺中将不同芯片的元件排列在一起容易得多。这种向晶圆工艺的转变也有助于降低设备的成本。
启示
随着数据和能源需求的逐年上升，电信和数据通信供应商正在不断寻找方法来减少他们的功率需求和每个传输位（bit）的成本。正如我们在本文前面所展示的那样，即使在光收发器中节省一瓦的功率，也可以滚雪球般地使得供应商和环境可以从中获利的重大节约。光收发器功耗的这些改进可以通过深化光学元件的集成和与电子元件的协同设计来实现。高度紧凑和集成的光学系统也可以以更大的规模和效率来制造，减少其财务和环境成本。这些细节有助于为供应商描绘一幅更大的图景：可持续发展现在与盈利能力相伴而行。
微信公众号 
bilibili 
微信视频号