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IEEE ECTC2024|下一代数据中心的光电子构建模块

摘要

在超大规模数据中心和高性能计算（HPC）环境快速发展的背景下，对更快、更高效、可扩展的通信解决方案的需求与日俱增。本文探讨有望改变数据中心架构的前沿光电子技术，重点关注board-level disaggregation和quantum-ready的互连。

光电子构建模块简介

欧洲项目DYNAMOS（动态可重构数据中心网络与模块化光电子子系统）处于开发超动态光电子组件和子系统以用于下一代数据通信的最前沿。这些创新利用了：

新的光波长带
空分复用
新颖的集成方案
光开关
先进的开关范式

目标是针对时间确定性和时间敏感性网络创建解决方案，满足超大规模环境日益增长的需求。

动态内联光电子子系统（DIPS）

动态内联光电子子系统（DIPS）是DYNAMOS架构的核心。可互换的构建模块结合了先进的光电子集成芯片（PIC），能够灵活、即时地构建各种光电子功能。

DIPS组件

DIPS卡设计为薄型、垂直、电光可插拔、DIMM风格的封装，可密集排列在电光主机板上。DYNAMOS项目重点关注四种主要类型的DIPS卡：

1. DIPS 1——快速可调谐激光器模块

容纳1纳秒快速可调谐激光器
整合无源1：N分光器
为调制器和接收器产生并共享连续波（CW）光
在3微米SOI PIC上使用InP RSOA的混合集成
包括通过热电冷却器（TEC）进行温度控制

2. DIPS 2 - 收发器模块

包含高速硅有机混合（SOH）电光调制器
包含接收器阵列
目标带宽为100 GHz（由于设备限制，已实现56 GBaud）
允许低功耗"无驱动器"调制

3. DIPS 3 - 广播和选择模块

在氮化硅PIC上容纳1xN分路器
与1x8 SOA阵列配合使用
与DIPS2模块的发送和接收部分集成

4. DIPS 4 - 路由器模块

包含氮化硅 8x8 耦合器和 32x32 AWG
在 DIPS 组件和边缘连接器之间路由光信号

DIPS 可插拔电光接口

DIPS设计的关键创新是专有的光连接器插头，用于连接主机板上的兼容光插座。该接口使用一种新型、更小的多光纤MT套管，称为"Mini-MT"。

图1：SN-MT连接器外壳中的新型mini-MT套管与MPO连接器外壳中的传统MT的对比

DIPSPlug"和"DIPSSocket"系统无需手动锁扣即可实现盲插和推拉操作。每个插头和插座在通用连接器外壳中包含两个微型MT套圈，在DYNAMOS项目中每个套圈可容纳12根保偏（PM）光纤。

图2：垂直可插拔小型光连接器与插座

板下光纤网络

DIPS架构的一个独特之处在于板下光纤交换平面。这种设计允许任意数量的光通道在主机板下方和DIPS之间自由传播，从而无需在板上方铺设可见光纤即可容纳复杂的纤维网络。

光电共封装（CPO）器件：ADOPTION项目

ADOPTION（Advance co-packaged optics enabling high-efficiency cloud computing，先进光电共封装器件实现高效云计算）计划是对DYNAMOS项目的补充。这项为期三年的计划旨在展示低功耗、低成本的解决方案，即使用光电共封装收发器（CPO）和封装开关芯片实现数据中心内部网络。

ADOPTION计划的主要目标包括：

开发超高容量硅基光电子收发器PIC
目标功率效率低于3 pJ/bit
端口速度为6.4 Tb/s，交换容量超过204.8 Tb/s
推进共封装组件中光纤阵列的有源光对准
展示超大规模数据中心和人工智能计算集群的新网络架构

图3：ADOPTION演示组件

面向未来超大规模环境的quantum-ready互连

随着超大规模数据中心和HPC的发展，将需要适应可扩展的量子网络，用于各种目的：

1.用于人工智能和复杂问题解决的量子计算

2.使用量子随机数发生器（QRNG）的增强加密

3.用于超安全应用的量子通信（QKD）

4.连接远程量子处理器以创建量子计算集群

为了实现这些量子应用，需要在量子物理层构建一个全新的光学和光电子构件生态系统。

金属光子集成电路连接器（MPC）

MPC是创新型全金属冲压元件，可用作光学组件的刚性模板。MPC的主要特性包括：

用于固定单模光学互连元件的精确公差
低热膨胀系数（CTE）
可定制微镜表面拓扑结构
适用于晶圆级组装的回流焊能力
适用于集成系统设计的紧凑尺寸

图4：MPC抛物线冲压微镜的示意图

QPICPAC项目

光量子集成电路封装（QPICPAC）项目由英国创新署（Innovate UK）资助，致力于为光量子集成电路（QPIC）开发封装解决方案。该项目采用基于模板的方法，以尽量减少量子技术公司的定制开发需求和成本。

QPICPAC项目的关键成果包括：

开发定制的MPC单元，用于与量子测试芯片垂直耦合
与直接光纤到量子PIC连接相比，耦合效率更高
通过光斑大小和形状转换补偿PIC的非高斯光束分布

图5：QPICPAC项目的量子PIC封装

标准化工作

为确保这些新型光电子技术的广泛采用和互操作性，国际标准化工作正在进行中。Resolute Photonics和Senko正在国际电工委员会（IEC）内部制定标准，以定义DIPS的外形和连接器。

这些标准将建立在现有的IEC 62150-6标准之上，该标准定义了用于容纳PIC的夹层PCB。目标是创建通用系统级集成光电子功能分解模板。

未来方向：EQUINOX项目

在DYNAMOS和QPICPAC奠定的基础上，即将启动的EQUINOX项目（2024年4月1日启动）旨在开发量子数据中心测试平台。该项目将探索基于DIPS概念和外形尺寸的可互换量子系统生态系统的可行性。

EQUINOX的主要目标包括：

将QPIC集成到类似DIPS的外形尺寸中
开发高保真"量子级"光链路
通过分散式架构提供各种量子功能
开发第二代量子技术（例如纠缠量子位的生成）
为最终用户构建可重构量子功能创建框架

结论

本文中讨论的光电子构建模块和技术代表了在应对下一代数据中心和高性能计算环境所面临的通信挑战方面取得的进展。通过结合先进的光电子集成芯片、创新的封装解决方案和quantum-ready互连，这些发展推荐更高效、可扩展且面向未来的网络架构。

随着DYNAMOS、ADOPTION、QPICPAC和EQUINOX等项目不断突破极限，有望看到数据中心的设计和运营方式发生变革。正在进行的标准化工作对于确保这些创新能够被广泛采用并整合到现有和未来的基础设施中很重要。

数据中心环境中的经典光电子技术和量子技术的融合为提升性能、安全性和计算能力开辟了机会。随着研究的深入和技术的成熟，可以预见更强大、更高效、能够应对日益数据驱动的世界所面临的复杂挑战的超大规模计算新时代的到来。

参考资料

[1]R. Pitwon et al., "Photonic building blocks for board-level disaggregation in hyperscale systems," 2024 IEEE 74th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 2024, pp. 1155-1160, doi: 10.1109/ECTC51529.2024.00186.