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铜缆伤心10Gbit/s关卡 光纤互连运用加温

光纤同时具备高频宽及远距离传输能力,但由于须用到光电转换模块,增加额外成本,故过去多半被用于诉求长距离、高效能的电信产业。相对的,电讯号透过金属导线直接传递,不须经过光电转换,成本较低,以往传输接口因透过金属导线(铜缆)传递即可提供所需的频宽,所以用于中短距离的讯号传输,一般以铜缆做为传输介质,以降低系统布线成本。

然而,当数据传输速率越来越高,传统的铜缆传输方式正面临愈来愈多的问题,光连结反而能提供较低的成本结构。

铜缆难满足10Gbit/s传输速率

随着高速传输接口技术演进,数据传输速率持续提升,以云端数据中心常用的几种传输协议为例,无限频宽技术(InfiniBand)从目前的QDR(QuadData Rate)(10Gbit/s),迈向更高速的FDR(FourteenData Rate)(14Gbit/s)与EDR(EnhancedData Rate)(28Gbit/s)。以太网络(Ethernet)则从10Gbit/s朝25Gbit/s前进;而光纤信道(Fiber Channel)也从8Gbit/s快速移往14Gbit/s与28Gbit/s。

与此同时,序列式SCSI(SAS)今年也将从6Gbit/s逐步升级至12Gbit/s,后续则持续往24Gbit/s发展。此外,PCIe也已演进到第三代的8Gbit/s,未来将朝第四代的16Gbit/s迈进。

显而易见,上述接口势将往更高的传输速率发展,而传统利用铜缆做为传输媒介,在超过10Gbit/s传输速率的应用,技术上已面临诸多瓶颈,包括传送路径阻抗不匹配(ImpedanceMiss Match)造成电讯号反射问题,或阻抗匹配要求过高所造成的产品加工困难及良率难以提升的问题。同时,高频讯号经过金属传输媒介造成的过度衰减问题,以及讯号高频成分与低频成分不同衰减率亦将造成符际干扰(Inter Symbol Interference, ISI)。

此外,铜缆用来补偿高频讯号过度衰减与克服符际干扰所需的等化电路(Equalizer),将导致过高功率消耗,并于后续衍生散热问题。加上为减少讯号衰减所需的特殊金属合金,或须使用较粗的金属导线,亦将造成线材成本大幅增加。还有相邻通道间的串音干扰(Cross Talk)与电磁干扰(EMI)等问题,都是光纤将取代铜缆的关键。

另一方面,传输距离更为铜缆带来许多应用限制,由于不同应用所需传输距离、频宽还有操作环境要求多有不同,能支持的最远距离也不相同。以数据中心所用的金属传输线DAC(Direct Attach Copper)为例,支持10Gbit/s传输速率的DAC最长可到7公尺;支持14Gbit/s传输速率的DAC最长支持到3公尺。至于未来的25Gbit/s,也许不会有DAC缆线足以支持此一应用。反观光纤则可轻松达到25公尺以上,甚至数百公尺的传输距离。

不过,金属导线传输尚有一丝发展空间,即业界引颈期盼的10GBase-T,被计划用来实现主机板内建网卡(LAN OnMotherboard, LOM)。但由于现有10GBase-T功耗太高,目前其物理层(PHY)IC采40奈米(nm)制程制作,须进化到28奈米制程,功耗才有望降到系统应用的容许范围。时间点或许会落在2013年底到2014年初。相关业者已进一步宣称,一旦10GBase-T技术迈向成熟后,将挟成本较光纤低廉的优势,进一步主宰市场。

迈向低功耗/长距离传输 接口改搭光纤方案

无庸置疑,金属导线正面临传输速率与距离的双重挑战,采用光连结传输已成业者跨越技术瓶颈的可行之道。光纤先将电讯号转成光讯号,再透过光纤支持大部分的讯号传输距离,直到讯号接近目的地时,再转回电讯号,如此可大幅缩短电讯号透过金属导线所传递的距离,带来诸多效益。

举例来说,市面上泛用于云端资料中心的QDR QSFP+(Quad Small Form-factor Pluggable Plus)主动式光学缆线(AOC)光连结模块,可传递40Gbit/s(4×10Gbit/s)达150公尺,且消耗功率小于1.5瓦(W)。对数据中心而言,考虑到中长距离传输的系统成本、散热问题,以及最敏感的功率值,光纤已是首要解决方案,而目前利用金属导线传输并无法达到这样低的功耗值,即便未来10GBase-T采用28奈米制程依旧难以达到。

如前所述,传统金属导线构成的高速传输接口,因距离及频宽不足所面临的诸多问题,将藉由光纤与生俱来的高频宽、远距离的传输特性,获得大幅改善,甚至能完全避免。

成本/功率/体积要求大不同 光学引擎应用差异化

如同金属导线须就各种应用拟定相应方案,光连结于不同产品应用,对内部光学引擎的要求亦有不同。以电信设备为例,诉求高频宽、远距离传输能力,故需高功率、容易散热的光学引擎,但体积则不特别要求微型化,且对生产成本可有较高的容忍度。

相形之下,用于支持数据通讯(Datacom)或消费性电子的光学引擎,由于传输距离不若电信应用那么远,所强调的是低功率消耗、模块体积小,还有低生产成本。因此,如何发展出用于各种不同产品应用的光学引擎架构,将是技术上重要的课题。

以源杰科技所发展的硅基光学平台(Silicon Optical Bench, SiOB)光学引擎架构为例,主体架构基于硅半导体微机电制程,特性在于体积微小、通道数容易扩充、生产步骤精简、具有稳定质量及较低生产成本。着眼于上述特点,SiOB光学引擎常用在多信道数、短距离传输的数据通讯领域及消费性电子产品应用,具有绝对优势。相反的,SiOB光学引擎并不适合被应用在强调高功率、远距离传输的电信使用(图1)。

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