Дци стоји за
Sep 22, 2025| 
Дата Центер Интерцоннецт Тецхнологиес
Еволуција технологија међусобног повезивања центара података (ДЦИ) представља критичну тачку у савременој рачунарској инфраструктури. Комукциони чипови-високих перформанси, који чине окосницу ДЦИ система, суочавају се са јединственим производним изазовима у поређењу са традиционалним процесорским чиповима.
Обим производње комутационих чипова остаје знатно нижи од процесорских чипова, што резултира њиховим преласком у мање напредне производне погоне. На пример, ИАРЦ, АСИЦ стандардне ћелије, користи 90 нм процесну технологију док прилагођени микропроцесори користе 65 нм процесе. Тренутни микропроцесори обично користе 32 нм ЦМОС технологију, стављајући АСИЦ-ове најмање једну генерацију иза.
Развој технологије процеса производње
Напредак индустрије полупроводника
Напредак индустрије полупроводника кроз 45 нм, 32 нм и 22 нм ЦМОС процесне чворове дефинише простор дизајна за велике-радикс прекидаче у ДЦИ апликацијама. Ова технолошка мапа пута, заснована на ИТРС (Интернатионал Тецхнологи Роадмап фор Семицондуцторс) из 2009. године, пружа свеобухватне пројекције за већину компоненти прекидача.
Недостајуће компоненте у ИТРС-у
Међутим, оригиналном ИТРС оквиру приметно недостају предвиђања И/О потрошње енергије, што је критична метрика за ДЦИ имплементације. Недавно објављени резултати омогућили су допуну СЕРДЕС прогнозе потрошње енергије.
Путоказ ИТРС технологије
Мапа пута за електрични И/О показује да, иако ИТРС разматра нове технологије укључујући фотонику, тренутно не постоји свеобухватан индустријски план за оптичке интерконекције у ДЦИ окружењима. На основу недавне литературе и лабораторијских истраживања, представљамо почетни покушај успостављања мапе развоја фотоничке технологије посебно прилагођене за ДЦИ апликације.
Анализа мапе пута за електричну И/О технологију
СЕРДЕС кратког-домета наспрам дугог{1}}СЕРДЕС-а у ДЦИ апликацијама
ИТРС се првенствено фокусира на СЕРДЕС кратког{0}}домета (СР) дизајниран за међуконекције између процесора-до-главне-меморије у распону од неколико центиметара. Недавне експерименталне провере су показале бројне-СР{6}}СЕРДЕС имплементације мале снаге које раде на 12 мВ/Гб/с за чворове технологије 28 нм.
У ДЦИ свитцхинг апликацијама, СЕРДЕС великог{0}}домета (ЛР) обично покрећу трагове ПЦБ-а до 1 метар дужине, прелазећи путање са најмање два конектора на задњој плочи.
СР-СЕРДЕС захтевају 40% мање енергије од ЛР-СЕРДЕС, али захтевају спољне примопредајнике или бафере за проширене путеве преноса у ДЦИ конфигурацијама.
Сходно томе, док усвајање СР-СЕРДЕС смањује потрошњу енергије комутационог чипа за приближно 3,5 пЈ/бит, укупна снага система се повећава за 2,8 пЈ/бит када се рачунају спољне компоненте. Овај парадокс представља значајне изазове за архитекте ДЦИ система.
Трендови и пројекције потрошње енергије
Превазилажење ограничења пропусног опсега
Спољни примопредајници не могу да превазиђу ограничења периферног пропусног опсега чипа својствена електричним ДЦИ системима. Интегрисана фотонска технологија директно имплементирана на-чипу пробија ове баријере. Експериментална валидација интегрисане ЦМОС фотонике коришћењем индиректне модулације показује изводљивост, са свим комуникационим компонентама осим спољних ласера интегрисаним путем ЦМОС-компатибилних процеса.
Међутим, Мацх-Зехндер модулатори који се користе у овим системима показали су се неприкладним за више-каналне ДЦИ апликације због свог великог отиска (отприлике 1-3 мм² по модулатору) и релативно високих БТЕ вредности које прелазе 50 фЈ/бит. Ова ограничења захтевају алтернативне приступе за практичну примену ДЦИ.
Ресонантна структура{0}}Решења заснована на резонантној структури
„Силицијумски фотонски микропрстенасти резонатори показују изузетне перформансе са брзинама модулације већим од 50 Гб/с уз одржавање потрошње енергије испод 1 фЈ/бит. Ови уређаји показују факторе квалитета изнад 15.000 и слободне спектралне опсеге погодне за апликације за мултиплексирање густе таласне дужине у савременим окружењима центара података, што их чини {5} идеалним кандидатима за међусобно повезивање}.
Извор: натуре.цом
Мицроринг Ресонаторс
Компактни,{0}}модулатори високе ефикасности засновани на резонантним структурама нуде обећавајуће алтернативе за ДЦИ архитектуре. Микропрстенасти резонатори на бази силикона функционишу као модулатори, селективни прекидачи{3}}таласне дужине или филтери за спуштање.
Селективност таласне дужине
Микропрстенови поседују инхерентне предности селективности таласне дужине, омогућавајући изградњу ДВДМ (Мултиплексирање густе таласне дужине) предајника који су кључни за ДЦИ скалабилност.
Комплетан пакет компоненти
У комбинацији са силиконским гребеним таласоводима, германијумским фотодетекторима који постижу пропусни опсег од 40 ГХз и решеткастим спојницама, микропрстенови употпуњују пакет комуникационих компоненти потребан за ДЦИ имплементације.
Архитектура оптичке везе ДВДМ
Комплетна ДВДМ оптичка веза за ДЦИ апликације укључује више интегрисаних компоненти. Ласер са{1}}закључаним екстерним режимом пружа изворе светлости са размаком од таласне дужине-чешља са размаком канала од 100 ГХз. Микропрстенасти резонаторски низови који одговарају таласним дужинама чешља модулирају сигнале на оптичке носаче.
Оптички сигнали се пропагирају кроз таласоводе који показују губитак од 2,5 дБ/цм, спајају се у једнострука-модна влакна преко решеткастих спрежника који показују губитак уметања од 3 дБ, а затим се враћају у различите чипове кроз комплементарне таласоводе, на крају достижући детекцијске резонаторске низове микропрстена.
Ова архитектура везе служи и интер{0}}комуникацији између чипова преко једног-модног влакна у ДЦИ рацк-у-на-везе у реку и унутар-комуникације у чипу када су влакна и повезани спојници елиминисани за-ДЦИ апликације на плочи.
метрика перформанси и анализа снаге
Карактеристике губитака у преносу
Комплетне ДВДМ оптичке везе од чипа{0}}на- које се састоје од 2 цм оптичких таласовода и 10 м оптичких влакана показују специфичне профиле губитака у преносу који су кључни за планирање ДЦИ:
Губитак ширења таласовода: укупно 5 дБ (2,5 дБ/цм × 2 цм)
Губитак спојнице на решетки: укупно 6 дБ (3 дБ по спојници × 2)
Губитак влакана: 0,04 дБ (0,4 дБ/км × 0,01 км × 4)
Губитак уметања микропрстена: 1 дБ (0,5 дБ по прстену × 2)
Укупан буџет везе: 12,04 дБ
Разматрања о термичком управљању
Снага термичког подешавања представља критичну компоненту у ДЦИ оптичким системима. Висок термо{1}}оптички коефицијент силицијума (1,86 × 10⁻⁴/К) захтева прецизну контролу температуре.
Сваки микропрстен захтева приближно 250 μВ/нм померања таласне дужине за термичко подешавање, што значи 1 мВ по прстену да би се компензовале варијације температуре од ±20 степени уобичајене у ДЦИ окружењима.
Ласер Рекуирементс
Улазна оптичка снага пријемника: -17 дБм за 10⁻⁹ БЕР при 10 Гб/с
Укупан губитак путање: 12,04 дБ
Ефикасност ласера: 30% ефикасности зидног{1}}утикача
Потребна снага ласера: 5 дБм оптички излаз, 35 мВ електрични
Снага пријемника
Потрошња енергије ТИА: 8 мВ при 10 Гб/с
Ограничавајући појачавач: 12 мВ при 10 Гб/с
Такт и опоравак података: 15 мВ при 10 Гб/с
Укупна снага пријемника: 35 мВ по каналу
Модулатор Повер
Коло драјвера: 10 мВ на основу погонског напона од 1 Впп
Подешавање микропрстена: 0,5 мВ за пропусни опсег од 10 ГХз
Укупна снага модулатора: 10,5 мВ по каналу
Компаративна анализа: електрични у односу на оптички И/О
Тренутни статус технологије
| Метриц | Електрични И/О | Оптички И/О |
|---|---|---|
| Енергетска ефикасност | 11 пЈ/бит за ЛР-СЕРДЕС | 3 пЈ/бит укључујући све компоненте |
| Бандвидтх | 25 Гб/с по диференцијалном пару | 50 Гб/с по каналу таласне дужине |
| Мануфацтуринг Ииелд | 95% | 60% (тренутне демонстрације) |
| Структура трошкова | 0,50 УСД по Гб/с | 5,00 УСД по Гб/с (пројектована запремина) |
| зрелост | Сазрео са успостављеним процесима | Обећавајуће лабораторијске демонстрације, комерцијални изазови |
Технолошке прелазне тачке
Пројекција паритета трошкова
Изазови и решења у производњи
Сложеност интеграције
Интегрисање фотонских компоненти за ДЦИ апликације представља значајан изазов. Производња стотина или милиона интегрисаних уређаја на појединачним подлогама са прихватљивим стопама приноса остаје недоказана у комерцијалним размерама.
Кључни изазови у производњи:
Прецизност таласне дужине: ±0,1 нм тачност потребна за ДВДМ
Поравнање спојнице: толеранција ±0,5 μм за ефикасно спајање влакана
Уједначеност процеса:<5% variation across 300 mm wafers
Термичка стабилност: ±0,5 степени тачности контроле температуре
Разматрања о поузданости
Дугорочна{0}}поузданост за примену ДЦИ захтева опсежну квалификацију:
Убрзано старење:10.000 сати на 85 степени/85% влажности
Термални бициклизам:1000 циклуса од -40 степени до +85 степени
Механички удар:Тестирање полусинусног импулса од 1500 Г-
Вибрације: 20 Г насумичне вибрације, 10 Хз до 2 кХз
Тренутне оптичке компоненте показују 10⁻¹⁵ ФИТ (фаилурес ин тиме) стопе, приближавајући се нивоима поузданости електричних компоненти потребним за ДЦИ мисије{1}}критичне апликације.
Економска разматрања за примену ДЦИ
Анализа укупних трошкова власништва
Пројекције усвајања тржишта
Будући технолошки развој
Напредни модулациони формати
ДЦИ системи следеће-генерације ће користити напредне формате модулације да би значајно повећали проток података и ефикасност:
ПАМ-4
Удвостручује спектралну ефикасност на 2 бита/симбол
Кохерентна детекција
Омогућава 400 Гб/с по таласној дужини
Исправљање грешака унапред
Побољшава маргине везе за 8 дБ
Вероватноћасно обликовање сазвежђа
Добија додатних 1,5 дБ осетљивости
План пута монолитне интеграције
Будуће архитектуре ДЦИ ће имати користи од напретка монолитне интеграције који комбинује фотонику и електронику:
2026: Демонстрације интеграције ласера
Постизање ефикасности од 20% за-изворе светлости на чипу
2028: Комплетни фотонски системи-на-чипу
Потпуно интегрисана решења за ДЦИ апликације
2030: 3Д интеграција
Комбиновање електронике и фотонике у сложеним архитектурама
2032: Ласери квантних тачака
Омогућавање рада{0}}неосетљивог на температуру ради веће поузданости
Емергинг Тецхнологиес
Пласмоницс
Под-ограничење таласне дужине омогућава ултра-компактне уређаје
Графенски модулатори
Пропусни опсег од 100 ГХз са ефикасношћу од 0,1 фЈ/бит, потенцијално револуционирајући брзу оптичку комуникацију-
Фотонске неуронске мреже
У-мрежном рачунарству за ДЦИ убрзање, омогућавајући бржу обраду података унутар интерконекције
Орбитални угаони момент
Мултиплексна димензија изван таласне дужине, потенцијално омогућавајући експоненцијално повећање капацитета
Напори стандардизације и сарадња индустрије
Развој стандарда
Вишеструка тијела за стандардизацију координирају ДЦИ оптичке спецификације како би осигурала интероперабилност и убрзала усвајање:
ИЕЕЕ 802.3
Дефинисање 400ГбЕ и 800ГбЕ стандарда
ОИФ
Развијање заједничких електричних интерфејса
ЦОБО
Успостављање-оптичких спецификација на плочи
ЦКСЛ
Оптички проширење кохерентних интерконекција
Индустријски конзорцијуми
Заједнички напори убрзавају развој технологије ДЦИ кроз заједничка истраживања и ресурсе:
АИМ Пхотоницс
610 милиона долара јавно-приватно партнерство које унапређује производњу интегрисане фотонике
ЕПИЦ
Координација Европског конзорцијума фотоничке индустрије у целом ланцу вредности
ИПСР
Развој мапе пута интегрисаних фотоничких система за планирање технологије
ОпенРОАДМ
Уговор са{0}}више извора за оптичке системе који омогућавају интероперабилна ДЦИ решења
Смернице за имплементацију за ДЦИ архитекте
Свакодневно одржавање просторије за паковање
Успешна имплементација ДЦИ оптичког система захтева систематске приступе:
Анализа захтева
Дефинишите циљеве за пропусни опсег, кашњење и поузданост на основу потреба апликације
Линк Израчунавање буџета
Узмите у обзир све механизме губитака и маргине укључујући температурне варијације
Планирање буџета за напајање
Укључите све активне и пасивне компоненте са додатним трошковима управљања топлотом
Тхермал Десигн
Примените адекватну контролу хлађења и температуре за стабилан рад
Планирање редунданце
Дизајнирајте 1+1 или Н+1 шеме заштите за-критичне апликације
Најбоље праксе
Доказана пракса за ДЦИ оптичку примену укључује:
Одржавајте маргину везе од 3 дБ за дугорочну-поузданост с обзиром на старење компоненти
Имплементирајте адаптивно изједначавање за варијације канала и температурне ефекте
Примените свеобухватно праћење оптичких перформанси за проактивно одржавање
Успоставите протоколе чишћења за оптичке интерфејсе да бисте спречили деградацију сигнала
Документујте сва путања влакана и задатке таласне дужине за решавање проблема
Дизајн за скалабилност за прилагођавање будућих надоградњи пропусног опсега уз минималне прераде
Извршите тестирање животне средине у најгорим{0}}условима пре примене
Спроведите правилно управљање кабловима да бисте минимизирали губитке савијања и механичко напрезање