思科：运用CMOS光子学的100Gbps解决方案

摘要：  思科在今年3月的OFC(美国光纤通讯展)上展出了独立开发的CPAK 100G光模块，吸引了业内人士的巨大关注，也引起了行业分析师的讨论。CPAK光模块比CFP光模块尺寸缩小一半，功耗下降到四分之一。本文将重点从技术层面揭示思科CPAK光模块的工作原理。

关键字：  CMOS光子学，思科，可插拔收发器，

CMOS光子学采用CMOS制造工艺生产光学器件，采用器件高度集成的电气设计，直接在硅片上印制整个电路板。于是，光学器件可以使用CMOS流程设计和制造，这和创建ASICs时使用的生产设备和设计工具相同，开创了光学模块利用CMOS技术实现创新和高效的先河。

全球数据流量的增长势不可挡，网络和数据中心作为因特网核心正努力紧跟它的前进步伐。其中，光学互联技术是所要面临的技术难关。如今，一项新的技术将改变光传输：CMOS(互补金属氧化物(PMOS管和NMOS管)共同构成的互补型MOS集成电路制造工艺)光子学。

CMOS光子学采用CMOS制造工艺生产光学器件，采用器件高度集成的电气设计，直接在硅片上印制整个电路板。于是，光学器件可以使用CMOS流程设计和制造，这和创建ASICs(在集成电路界被认为是一种为专门目的而设计的集成电路)时使用的生产设备和设计工具相同，开创了光学模块利用CMOS技术实现创新和高效的先河。摩尔定律也开始适用于可光学领域。

思科引领了这一技术发展。符合IEEE第一组工业标准，可插拔收发器模块兼容CMOS光子学，思科发布了100-Gbps的新一代光学解决方案，使模块更加小巧、高效、节能。思科公司历时40年，斥资4000亿美元研发CMOS行业，CPAK™ 方案将为满足下一代光学网络及传输奠定基础。

思科CPAK

思科将CPAK打造成一种服务于多种客户应用的产品，适用于传输、路由、交换。同时，这些解决方案将为行业提供外观最小巧、100-Gbps最高效的光学收发器组合。思科CPAK适用于多个IEEE标准的光学借口。100G BASE-SR10和CPAK 100G BASE-LR4是首批推出的产品。(见图一)

思科100-Gbps关联应答接口卡采用了高密度波分多路复用技术，是其推出首款运用CPAK的产品。由于体型小巧，CPAK可用集成到线卡，减少了一个单独的C形状可插入(CFP)客户端接口卡。在保证了客户端接口齐全的情况下，将两个底盘槽减少到一个。线卡增加了光学装置底盘潜在频宽，同时减少了每个相干高密度波分多路复用(DWDM)通道的功耗。

追赶全球需求

新通信、视频和移动应用正在改变我们使用互联网的方式，对速度和容量有了前所未有的需求。见下：

思科Visual Networking Index(思科VNI)预测，移动数据流量复合年增长率(CAGR)将在2010年到2015年之间达到92%。

2012年1月，平均每秒钟都有一小时时长的视频上传到YouTube。Cisco VNI计划到2014年视频所有IP流量将是现在的4倍。

Cisco VNI 计划2016年全球每月IP流量将达到110艾字节，流量相当于270亿张DVD，26万亿MP3播放器，或者78亿亿条短信。

到2016年，有34亿互联网用户和500亿联网设备。

云将占数据中心将近三分之二的流量，基于云计算的工作负荷将是传统的服务器的四倍。

为适应数据流量的指数增长，数据中心正变得越来越大。谷歌、苹果、亚马逊将成立数十万平方英尺的数据中心，IBM和Range Technology将计划落成全球最大的占地600万平方英尺的数据中心。向虚拟化数据中心过渡的过程也推动了数据中心之间的流量增加，提高了这些平台的互联。

这些趋势使得服务提供商部署大量的设备，功率损耗的难题呈现出前所未有的挑战。2007年，美国国家环境保护局曾估计，到2011年数据中将消耗全国总发电量的2%。大部分损耗都用于冷却设备。

当路由器、交换机和服务器设备向着更小巧、更快速、更节能发展的时候，光学互联设备并不如此。可插拔的收发器模块为服务提供商的设备高速互联提供了灵活的服务。但是当前设备尺寸过大、功率损耗过度导致了端口密度受限，影响了设备可提供的带宽。在许多情况下，解决方案受一个线卡面板中可容纳的模块数目的影响。传统的光学收发器和传统的制造过程在未来将无法满足全球流量需求。

服务提供商和数据中心运营商需要新的光学解决方案：

·减少资本输出(CapEx) ：提高集成度，提供更多功能，减小设备封装

·降低运行成本 (OpEx) ：降低能耗，运行冷却器，并利用更新的、更灵活的架构

实现下一代高容量光模块，关键在于提高光网络设备的面板带宽。随着速度提高，光学解决方案还需要提供比现有设备更大的带宽密度的底板和更高的芯片互联。

思科CPAK光学解决方案使用CMOS光子学技术可以解决所有难题。

Cisco CPAK：运用CMOS光子学

互联网见证了光子和电子传输技术的发展。当2001年ASICs按照Moore定律飞速发展的时候，光学技术发展还非常缓慢。如今，即使是光学接口也能达到100 Gbps的速度，模块的尺寸和能量损耗超标都限制网络规模和数据中心设备达到世界需求。

为什么电气和光学技术之间存在差异?在于ASICs受益于CMOS工艺制备。由于半导体设计的发展，CMOS过程可实现更小巧、更强大、更有效的 ASIC集成电路。

CMOS行业发展有赖于半导体行业的良性循环。人们对高性能、低成本产品的需求促进了创新。由于可以在晶片内部进行工艺处理，创新的产品迅速形成了一定的规模。这一过程进而降低了成本、增加了市场消费率，促进了投资与进一步的创新。这一循环促进了半导体行业的发展，早在1965年Gordon Moore创造摩尔定律，并意识到了这样的趋势。

今天，CMOS包含一套成熟的设计工具和可重复的制造流程，提升了电子产品的性能和效率。CMOS如今在全球范围已有数千亿的产业，在它不断向着更小巧、更快速、更便宜发展的进程中，也给几乎所有的计算和电子产品带来了好处。

相比之下，光学技术的发展显得十分缓慢。在如今的光学解决方案中，大多数的光元素(调节器、开关、光探测器等等)都独立制造和组装，各自优化其特定的功能。光学解决方案仍然繁琐而混乱，不仅生产耗时、成本高，对能源也造成了浪费。

CMOS光子学在光元素中融入CMOS生产过程，类似ASIC电路模式，通过将硅片印制在小的CMOS集成模块中，实现光学解决方案优化。通过CMOS-level信号对光学器件驱动和控制，实现高效、低功耗的光学电路。

思科带头发展CMOS光学可拔插收发器，使之应用于光学网络和数据中心的成为可能。思科率先投资，使光学CMOS创新成为现实，填补了光学技术赶不上全球化发展进程的空白。根据客户反馈及对长期解决方案投资的考虑，思科推出CPAK解决方案。在基于标准的、可拔插CMOS光学器件面世之际，光学传输会伴随着半导体行业的创新、建设和扩张得到前所未有的收益。摩尔定律最终在光学领域适用，服务供应商也对光学方案满足全球IP流量需求充满了信心。

CMOS光子学工作原理

CMOS光子学采用标准集成电路设计过程，生产光学模块。高速调机器、波导管、光复用转换器都可被直接集成和复制在一个硅晶片中。采用工业标准CMOS设计工具(如：Cadence， Mentor Graphics等等)，设计者能够像设计ASIC电路那样设计光电原理图、进行仿真、芯片布局、布线后仿真、生成图形数据系统(GDS)电路布局。

然后，采用标准CMOS制造工艺，由硅标准加工厂根据工艺要求加工这些光学芯片。如此一来，未来光学芯片设计就像当今ASIC集成电路设计一样高效可靠。

光电CMOS的必要性

将CMOS工艺运用到光学技术的优势在此已不必赘述。随着CMOS技术在光学领域的发展，一些大型的CMOS生产商可以将ASIC电路的工艺和设计工具运用到光学电路的设计中，将设计集成到周产量上百万的初级晶片中，这些初级晶片可带来数千亿美元的年收益。

为了开发更高的集成度、更小的产品封装和更低的能耗的产品，光学技术首次投资数十亿美金研发高速、高效的CMOS设计，实现不间断的工业传动。如今摩尔定律也成功的适用于光学创新，开创了新一代光学设计创新链。

CPAK和现有技术的比较

光线路卡的容量受到研发时技术能力的制约，其面板可容纳的光模块数目和技术的功率损耗都是需要考虑的因素。这些制约条件导致的结果就是，无论能提供多高的数据率，当代的光线路卡都无法满足容量的需求。

如下：

·增强型小型可拔插模块 (SFP+) 限48个端口，每个端口的功率为1W，一个功耗48W的收发器可以提供 480 Gbps的流量。

·C型可拔插模块 (CFP)提供100-Gbps流量，不过由于模块封装、功耗过大，导致他们不能大规模应用。CFP运用典型的双端口光线路卡，每个端口功率为24W，一个功率为48W的收发器可提供200 Gbps的流量。

CPAK是思科首个实现CMOS光电子技术的产品，改变了之前技术存在障碍的局面。CPAK的体积和功耗都不到CFP模块的三分之一(CPAK 100GBASE-LR4的功率事实上还不到5.5W).CPAK可支持10个以上100-Gbps 端口，保障拥有兆兆位容量线路卡的收发器功耗仅为55W 。功率48W，流量480 Gbps的 10-Gbps收发器提供的流量还不足CPAK的一半。

CPAK结合IEEE标准接口，允许光学接口和其他符合IEEE标准的模块兼容。这意味着服务提供者和数据中心可以达到前所未有的容量、规模和效率，保持在一个多厂商的环境中交叉协作的能力。

总结

全球范围内加速的流量需求带来了严峻的挑战，但它并不是不可逾越的。满足未来数据需求的关键在于新一代的光学互联技术。思科在抓紧满足这一行业需求，在光子学发展和生产的进程中开创了新纪元。

CMOS的设计和生产一直朝着更小巧、更快速、更高效的方向发展。基于标准的100-Gbps平台， 通过将CMOS工艺融入光学技术，思科可以帮助服务供应商和数据中心运营商降低成本和运行开支，满足未来的数据流量需求。