科普：AI數據中心的“神經元”連接-光通信及光模塊

發布時間 | 2024-10-22 10:24 分類 | 粉體入門點擊量 | 1265

導讀：光通信技術通常用于數據中心、企業網絡、電信運營商網絡等領域，用于實現高速、遠距離、高可靠性的通信，光模塊是光通信中實現光電轉換和電光轉換的光電子器件。

光通信技術通常用于數據中心、企業網絡、電信運營商網絡等領域，用于實現高速、遠距離、高可靠性的通信，光模塊是光通信中實現光電轉換和電光轉換的光電子器件。

圖1光通信技術，讓信息以光的速度傳播

當下AI大模型的參數已升級至萬億級別，模型龐大的訓練任務需要大量GPU服務器組成的算力集群來提供算力，而這些服務器之間需要通過網絡連接進行海量數據交換，因此需要更高速率的光模塊做匹配。此外，葉脊網絡架構（每臺葉交換機都需要與架構中的脊交換機連接，通過這種設計，網絡中的每臺服務器與其他服務器進行數據傳輸時都只需要通過葉交換機和脊交換機即可，大大提高了數據傳輸的效率）大幅增加對光模塊數量的需求，并助力光模塊往更高速率方向迭代升級。隨著 ChatGPT 為代表的人工智能大語言模型的不斷迭代，AI 算力需求激增，拉動 800G光模塊需求顯著增長，并加速光模塊向 1.6T 及以上產品迭代。

圖2 高性能計算架

圖3 葉脊架構與傳統三層架構的區別

如果把數據中心類比成人的大腦系統，那算力集群可以類比為神經元群體，每個神經元代表一個獨立的計算節點，負責處理和分析大量數據。在這個系統中，光通信技術則相當于神經纖維和突觸，負責在這些神經元之間快速、有效地傳遞信號。光信號在光纖中高速傳播，就像神經纖維傳導電信號一樣，確保數據在各個計算節點之間的迅速交換。突觸則是光模塊的角色，完成光電轉換，將電信號轉化為光信號，類似于神經元釋放神經遞質，促進信息的傳遞。

光通信技術和光模塊在整個數據中心的高效運行中起著至關重要的作用，它們共同構成了數據中心內部信息傳遞的“神經系統”，確保數據中心能夠像一個高效運轉的大腦一樣，對外界輸入的信息做出及時、準確的響應。

圖4 信息在神經元間傳播來源：neurosciencenews

一、光通信原理

由于目前技術限制，IT設備只能識別電信號不能識別光信號，因此光模塊的主要作用是實現光電轉換協助設備進行光電信號轉化，幫助設備進行信息傳遞。準確來說，光模塊是幾種類別的模塊的統稱，具體包括：光發送模塊Transmitter、光接收模塊Receiver、光收發一體模塊Transceiver和光轉發模塊Transponder。通常所說的光模塊，一般是指光收發一體模塊。

圖5 光通信基本結構

資料來源：頭豹研究院、開源證券研究所

基本原理：發送接口輸入一定碼率的電信號，經過內部的驅動芯片處理后由光發射器（半導體激光器（LD）或者發光二極管（LED））發射出相應速率的調制光信號，通過光纖傳輸后，接收接口再把光信號由光接受器件（光探測二極管）轉換成電信號，并經過前置放大器后輸出相應碼率的電信號。

二、光模塊的結構

光模塊中實現光電轉換作用的核心部件是光電芯片，光芯片是光模塊中完成光電信號轉換的直接芯片，而電芯片是實現對光芯片工作的配套支撐，兩者都是光模塊的核心部件。從成本占比來看，光芯片通常占光模塊成本的40%-60%，電芯片占 10%-30%之間。

光模塊的主要升級在速率，光通信芯片的成本隨著光模塊速率的不斷升高而提高。作為最主要的成本構成，芯片的差異也成為了衡量光器件高低端的主要標準。

圖6 光模塊基本結構資料來源：CSDN、開源證券研究所

①光芯片：在光模塊中，光芯片承擔了關鍵的角色，主要包括激光器芯片和探測器芯片，是光通信產業鏈技術壁壘最高的一環。激光器是光信號的源頭，而探測器則負責將光信號轉換為電信號。

圖7 光芯片在光通信系統中的工作

光芯片可以被分為有源光芯片和無源光芯片，有源光芯片可以進一步被分為激光器芯片、探測器芯片和調制器芯片。

圖8 光芯片的分類

資料來源：源杰科技招股說明書、光纖在線，華鑫證券研究所

圖9 光有源芯片分類概況

資料來源：源杰科技招股說明書、創道硬科技研究院，天風證券研究所

電光調制器可以將電信號轉換為光信號，從而實現光信號的調制。光通信領域主要采用三種不同基底的電光調制器技術，分別基于硅、磷化銦和鈮酸鋰材料。這些不同的基底材料在性能和應用方面各有優勢，適用于不同通信距離的應用場景。

圖10 三類電光調制器材料方案對比

資料來源：華經情報網，天風證券研究所

鈮酸鋰具有顯著的電光效應，非常適合制作高速電光調制器，但早期并沒有合適的工藝可以制備薄膜鈮酸鋰晶圓，因此鈮酸鋰調制器只能使用體材料做分立元件，分立的鈮酸鋰體材料光學器件體積大，工藝與CMOS不兼容，不便于集成。薄膜鈮酸鋰調制器是將鈮酸鋰薄膜沉積在光纖或者其他光學波導上，形成一個光學調制器。相比于傳統的鈮酸鋰晶體調制器，薄膜鈮酸鋰調制器具有較高的數據傳輸帶寬、較低的驅動電壓和更小的體積，與硅基和磷化銦基調制器相比也展現出顯著的高速率、低能耗及高集成度等優勢。

②電芯片：

電芯片國產化率偏低，核心供應廠商仍以海外企業為主。電芯片包括激光驅動芯片 LDDriver、跨阻放大器芯片 TIA、限幅放大芯片 LA、DSP 電信號處理芯片等，用于處理電信號和光信號之間的轉換和調控，確保信號的穩定傳輸。這兩大類芯片的協同工作使光模塊成為現代通信技術的關鍵組成部分。