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銅纜傷心10Gbit/s關(guān)卡　光纖互連運(yùn)用加溫

光纖同時(shí)具備高頻寬及遠(yuǎn)距離傳輸能力，但由于須用到光電轉(zhuǎn)換模塊，增加額外成本，故過去多半被用于訴求長距離、高效能的電信產(chǎn)業(yè)。相對的，電訊號透過金屬導(dǎo)線直接傳遞，不須經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，成本較低，以往傳輸接口因透過金屬導(dǎo)線(銅纜)傳遞即可提供所需的頻寬，所以用于中短距離的訊號傳輸，一般以銅纜做為傳輸介質(zhì)，以降低系統(tǒng)布線成本。

然而，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率越來越高，傳統(tǒng)的銅纜傳輸方式正面臨愈來愈多的問題，光連結(jié)反而能提供較低的成本結(jié)構(gòu)。

銅纜難滿足10Gbit/s傳輸速率

隨著高速傳輸接口技術(shù)演進(jìn)，數(shù)據(jù)傳輸速率持續(xù)提升，以云端數(shù)據(jù)中心常用的幾種傳輸協(xié)議為例，無限頻寬技術(shù)(InfiniBand)從目前的QDR(QuadData Rate)(10Gbit/s)，邁向更高速的FDR(FourteenData Rate)(14Gbit/s)與EDR(EnhancedData Rate)(28Gbit/s)。以太網(wǎng)絡(luò)(Ethernet)則從10Gbit/s朝25Gbit/s前進(jìn)；而光纖信道(Fiber Channel)也從8Gbit/s快速移往14Gbit/s與28Gbit/s。

與此同時(shí)，序列式SCSI(SAS)今年也將從6Gbit/s逐步升級至12Gbit/s，后續(xù)則持續(xù)往24Gbit/s發(fā)展。此外，PCIe也已演進(jìn)到第三代的8Gbit/s，未來將朝第四代的16Gbit/s邁進(jìn)。

顯而易見，上述接口勢將往更高的傳輸速率發(fā)展，而傳統(tǒng)利用銅纜做為傳輸媒介，在超過10Gbit/s傳輸速率的應(yīng)用，技術(shù)上已面臨諸多瓶頸，包括傳送路徑阻抗不匹配(ImpedanceMiss Match)造成電訊號反射問題，或阻抗匹配要求過高所造成的產(chǎn)品加工困難及良率難以提升的問題。同時(shí)，高頻訊號經(jīng)過金屬傳輸媒介造成的過度衰減問題，以及訊號高頻成分與低頻成分不同衰減率亦將造成符際干擾(Inter Symbol Interference, ISI)。

此外，銅纜用來補(bǔ)償高頻訊號過度衰減與克服符際干擾所需的等化電路(Equalizer)，將導(dǎo)致過高功率消耗，并于后續(xù)衍生散熱問題。加上為減少訊號衰減所需的特殊金屬合金，或須使用較粗的金屬導(dǎo)線，亦將造成線材成本大幅增加。還有相鄰?fù)ǖ篱g的串音干擾(Cross Talk)與電磁干擾(EMI)等問題，都是光纖將取代銅纜的關(guān)鍵。

另一方面，傳輸距離更為銅纜帶來許多應(yīng)用限制，由于不同應(yīng)用所需傳輸距離、頻寬還有操作環(huán)境要求多有不同，能支持的最遠(yuǎn)距離也不相同。以數(shù)據(jù)中心所用的金屬傳輸線DAC(Direct Attach Copper)為例，支持10Gbit/s傳輸速率的DAC最長可到7公尺；支持14Gbit/s傳輸速率的DAC最長支持到3公尺。至于未來的25Gbit/s，也許不會有DAC纜線足以支持此一應(yīng)用。反觀光纖則可輕松達(dá)到25公尺以上，甚至數(shù)百公尺的傳輸距離。

不過，金屬導(dǎo)線傳輸尚有一絲發(fā)展空間，即業(yè)界引頸期盼的10GBase-T，被計(jì)劃用來實(shí)現(xiàn)主機(jī)板內(nèi)建網(wǎng)卡(LAN OnMotherboard, LOM)。但由于現(xiàn)有10GBase-T功耗太高，目前其物理層(PHY)IC采40奈米(nm)制程制作，須進(jìn)化到28奈米制程，功耗才有望降到系統(tǒng)應(yīng)用的容許范圍。時(shí)間點(diǎn)或許會落在2013年底到2014年初。相關(guān)業(yè)者已進(jìn)一步宣稱，一旦10GBase-T技術(shù)邁向成熟后，將挾成本較光纖低廉的優(yōu)勢，進(jìn)一步主宰市場。

邁向低功耗/長距離傳輸　接口改搭光纖方案

無庸置疑，金屬導(dǎo)線正面臨傳輸速率與距離的雙重挑戰(zhàn)，采用光連結(jié)傳輸已成業(yè)者跨越技術(shù)瓶頸的可行之道。光纖先將電訊號轉(zhuǎn)成光訊號，再透過光纖支持大部分的訊號傳輸距離，直到訊號接近目的地時(shí)，再轉(zhuǎn)回電訊號，如此可大幅縮短電訊號透過金屬導(dǎo)線所傳遞的距離，帶來諸多效益。

舉例來說，市面上泛用于云端資料中心的QDR QSFP+(Quad Small Form-factor Pluggable Plus)主動式光學(xué)纜線(AOC)光連結(jié)模塊，可傳遞40Gbit/s(4×10Gbit/s)達(dá)150公尺，且消耗功率小于1.5瓦(W)。對數(shù)據(jù)中心而言，考慮到中長距離傳輸?shù)南到y(tǒng)成本、散熱問題，以及最敏感的功率值，光纖已是首要解決方案，而目前利用金屬導(dǎo)線傳輸并無法達(dá)到這樣低的功耗值，即便未來10GBase-T采用28奈米制程依舊難以達(dá)到。

如前所述，傳統(tǒng)金屬導(dǎo)線構(gòu)成的高速傳輸接口，因距離及頻寬不足所面臨的諸多問題，將藉由光纖與生俱來的高頻寬、遠(yuǎn)距離的傳輸特性，獲得大幅改善，甚至能完全避免。

成本/功率/體積要求大不同　光學(xué)引擎應(yīng)用差異化

如同金屬導(dǎo)線須就各種應(yīng)用擬定相應(yīng)方案，光連結(jié)于不同產(chǎn)品應(yīng)用，對內(nèi)部光學(xué)引擎的要求亦有不同。以電信設(shè)備為例，訴求高頻寬、遠(yuǎn)距離傳輸能力，故需高功率、容易散熱的光學(xué)引擎，但體積則不特別要求微型化，且對生產(chǎn)成本可有較高的容忍度。

相形之下，用于支持?jǐn)?shù)據(jù)通訊(Datacom)或消費(fèi)性電子的光學(xué)引擎，由于傳輸距離不若電信應(yīng)用那么遠(yuǎn)，所強(qiáng)調(diào)的是低功率消耗、模塊體積小，還有低生產(chǎn)成本。因此，如何發(fā)展出用于各種不同產(chǎn)品應(yīng)用的光學(xué)引擎架構(gòu)，將是技術(shù)上重要的課題。

以源杰科技所發(fā)展的硅基光學(xué)平臺(Silicon Optical Bench, SiOB)光學(xué)引擎架構(gòu)為例，主體架構(gòu)基于硅半導(dǎo)體微機(jī)電制程，特性在于體積微小、通道數(shù)容易擴(kuò)充、生產(chǎn)步驟精簡、具有穩(wěn)定質(zhì)量及較低生產(chǎn)成本。著眼于上述特點(diǎn)，SiOB光學(xué)引擎常用在多信道數(shù)、短距離傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通訊領(lǐng)域及消費(fèi)性電子產(chǎn)品應(yīng)用，具有絕對優(yōu)勢。相反的，SiOB光學(xué)引擎并不適合被應(yīng)用在強(qiáng)調(diào)高功率、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)碾娦攀褂?圖1)。