光模块将如何演变以适应未来数据中心需求？

由于服务器访问和交换机互联需要更快的速度来满足流媒体视频、云计算和存储以及应用程序虚拟化对带宽日益增长的需求，光模块不仅在现代数据中心中发挥着重大作用，且其重要性会在接下来的几年中一直延续下去。那么，数据中心应用将会给光模块带来哪些挑战呢?光模块自身又是如何演变以适应未来数据中心?

在大型数据中心中有成千上万种设备在运行。假设在一个数据中心中，有十万个由高度冗余的网状网络互相连接在一起的服务器设备，换句话说，实现这个庞大连接所需的光链路数目也是十万。因为每一个光链路的两端都需要接光模块。那么，光模块的数量至少是光链路数量的两倍。事实上，如果使用光分组配置的话，光模块的数量可能还要更多。毫无疑问，如此庞大数量的光模块需求一定会花费不少，且高额的成本不利于数据中心的发展。因此，低成本的光模块发展方案势在必行。该如何降低光模块成本，则成为了光模块供应商必须面临的一大挑战。因为即使对于不同的应用或者不同速率的光模块来说，如今的光模块市场价格比这个理想的“低价”依然高出五倍甚至十倍。

老实说，如果只在光模块的设计和制造方法方面做一些小改进，降低成本是非常困难实现的。既然在这方面收效甚微，那么就只能稍稍放松规范来达到降低成本的目的。譬如，通过降低最高操作温度，降低操作温度范围，缩短产品使用寿命以及允许使用前向纠错技术等来降低成本。这些手段使得供应商可以采取高水平的光学集成来实现低成本光模块设计，非密闭式封装，非冷却操作及简化测试。

目前，光收发器市场已经相当成熟了。得益于多源协议（MSA，Multi-Source Agreement），终端用户在选择供应商时，有了更多的选择，再也不需要花冤枉钱直接从系统供应商那买昂贵的产品。

数据中心光模块，从40 G到100 G的过渡

现代规模庞大的数据中心通常用10G的接入端口来接入使用40G的交换网络。然而25G的接入端口和100G的交换网络在未来数年将会快速推进。在数据中心，形状规格是决定光模块应用的一个重要因素。如今的数据中心，已统一使用小型可插拔模块（SFP，Small Form Factor Pluggable）来实现服务器接入，四通道小型可插拔模块（QSFP，Quad SmallForm-factor Pluggable）则被用于交换机节点之间的互联。此外，高速线缆（DAC，Direct Attach Cable）常用于到接入端口的距离少于5米的情况，而有源光缆（Active Optical Cable）则可用于更远距离的连接。

小型可插拔升级版模块（SFP+）以其紧凑的大小，高性能和节约成本的优势在10G数据传输中具有至关重要的作用。一直以来，SFP+收发器被广泛应用于10G接入端口。但是，SFP+的好景并不长，因为当接入速度增加至25G，10G时，接入端口将向SFP28过渡。此外，围绕25G局域网仿真生态系统将有望在下一代企业网络应用程序中使用，这将推动SFP28模块在单模光纤传输的需求，运行距离可望达到10至40千米。

QSFP模块支持4个平行的电接口通道，并以4×10 Gbps的速度运行，是一种平行收发器。如今40G QSFP+模块广泛应用于数据中心的交换网络，且随着数据中心部署40G以太网的步伐加快，40G QSFP+应用将不断加强，特别是通过40G分支直连来实现与高密度10G接口的互连。然而，IHS Infonetics公司今年5月发布了一项调研报告，该调研报告表示由于2016年数据中心将会逐渐从40 G到100 G的交换网络过渡，QSFP28模块将会大规模部署使用。QSFP28模块又是什么?正如我们所知道的，第一代的QSFP收发器装有4个发射器和接收器，每个通道拥有10G的速率。随着由于技术的发展，现在的QSFP模块的每一个通道可以以28G的速率发送和接收数据。这种收发器就是QSFP28。QSFP28收发器是100G应用的新趋势。

事实上，实现100G网络的第一种方式是“10G以太网-40G以太网-100G以太网”。第一个推出使用100G收发器的是CFP（由802.3ba定义的100G速率，10×10G电接口通道）。但CFP2很快就被推出，5×25G（或10×10G）的电接口通道，且大小只有CFP的二分之一。即使如此，但是它价格昂贵，封装太大导致不能大规模部署。继CFP2之后，只有CFP2一半大小的CFP4问世。其间，QSFP28和CFP4展开竞争。目前，CFP4和QSFP28似乎是并驾齐驱。QSFP28占有密度优势，而CFP4具有更高的最大功耗，使得它达到更远的传输距离。此外，在数据中心还有另外一个趋势，即几乎所有的链路长度小于2千米。因此，对于内部互连以及高密度交换机设计，即使QSFP28有技术性的问题待解决，但是由于它和QSFP+几乎一样大小，其似乎是数据中心应用的首选。

数据中心超100G光模块的考虑因素

现今，行业里舆论鼎沸，都在讨论超100G的速率。40G，100G之后的下一代数据中心发展将是4X系列，如200G，400G。光模块同时也需要发展到超100G以满足这些需求。其中一个衡量数据中心交换机最重要的值是前面板带宽。也就是所有光模块需适应宽19”，高1RU交换设备的聚合带宽。通常，一个普通的交换机前面板可容纳32个QSFP端口。如果端口是QSFP+，相应的前面板带宽为1.28 Tbs（32 x 40 G）。如果端口升级到QSFP28，则带宽增加到3.2 Tbs（32 x 100 G）。

QSFP28之后，发展的路径又是如何? 下一代交换ASICs的本地端口速度的期待值为50G， 128个端口，网络输出量为6.4Tbs。换句话说，在200G的应用中，200G的QSFP模块（QSFP56，4 x 50 Gbps）的前面板带宽为6.4 Tbs（32 x 200 G）。然而，迄今为止，200G的标准尚未制定，预计200G标准将会在400G标准之后制定。

在400G的应用中，正式标准的制定将在2015年完成，这与大多数运营商宣告开始初步评估和部署400G接口的时间差不多。由于模块必须调试为16 x 25G 或 8 x 50G 的电子通道，比4个通道的QSFP要多，所以400G的光模块的体积会比QSFP大。此外，原来QSFP模块支持的3.5W的限定功率对于400G来说也是不可行的。因此，较大型的400G模块预期从CFP MSA开始制定，因为100G 的模块已有CFP， CFP2以及CFP4。在这种情况下，关键是前面板至少要支持16个端口，以满足6.4 Tbps（16 x 400 Gbps，甚至更大)的网络输出量。

总的来说，现今有三种实现400 G的潜在可行方案，由易到难分别为：

400G-PSM16 (16 x 25 G): 仅用于平行光纤400G-PSM4(4 x 100 G): 平行光纤+ PAM4400G-LR4 (1 x 400 G): 双芯光纤 + PAM4 + WDM

                    100G-PSM4+   400G-PSM16    400G-PSM4   400G-LR4   

进入市场的年限          0             12-18个月          2-3年           3-4年   

光通道（个）             4                 16                 4                 1   

支持的电通道             4                  16              8/16              8/16   

功率                   <3.5W             <6W            ~6W            >7.5W   

链路预算                   0                <7.0            ~9.5            >15.3   

传输距离>500m         √                  √                 √               √   

传输距离>2km           X                  X                 √                √   

传输距离>10km         X                  X                 X                 √   

模块化成本                1                2.05              1.96           8.53   

500m链路的成本                          低                  最低           最高   

2km链路的成本                            高                  最低           最高   

10km链路的成本                          最高                低             最低   

其中，似乎第二种方案，也就是400G-PSM4最好。虽然准备上市的时间可能会比第一种方案长一些，但仍然在人们的接受范围。此外，相比其他方案而言，它拥有最低的耗费成本和较低的功率优势。

光模块的发展前景

作为数据中心的关键因素，光模块具有广阔的发展前景。40G到100G的互连迫在眉睫，同时，超100G的标准制定也进行得如火如荼，而且一些可行方案也随之提出。为确保这些方案能满足未来数据中心在成本和功率方面的需求，更多的光模块新理念是必须的。此外，光收发器供应商应当跟上需求的节奏，与网络设备生产商和数据中心运营商密切合作。我们相信，未来将会有更多关于新型的或新接口的光模块方案出现，光模块也会变得越来越适合未来的数据中心。