Сколько дистанции осталось у медного кабеля: на что ставит оптика в эпоху 200G
При переходе на 200 Гбит/с на канал дальность прямого медного кабеля падает с 4–5 до 1–2 м, ограничивая связь XPU одной-двумя стойками; в статье Broadcom описан 850-нм VCSEL для 106 ГБод PAM4 и концепция оптики рядом с корпусом с плотностью более 0,6 Тбит/с на мм и энергоэффективностью около 1 пДж/бит.
При масштабировании ИИ-кластера трудность часто не в самих вычислительных чипах, а в том, как соединить их между собой. Прямой медный кабель при скорости 100 Гбит/с на канал работает на 4–5 м, а при удвоении до 200 Гбит/с на канал дальность падает до 1–2 м. Медные соединения тем самым ограничивают зону связи XPU одной-двумя стойками, и число ускорителей, которые можно подключить за один переход, упирается в расстояние.
В статье компании Broadcom эта граница описана очень чётко. Нынешние прямые медные кабели на 100 Гбит/с на канал ограничены джиттером и вносимыми потерями, их рабочая дальность — 4–5 м; у SerDes следующего поколения на 200 Гбит/с на канал вносимые потери на частоте Найквиста выше, и дальность медного кабеля сжимается примерно до 1–2 м. Установка ретаймеров позволяет продлить дальность до 7 м ценой дополнительных затрат и энергопотребления.
Оптические соединения поддерживают дальность более 50 м и дают ещё более важное изменение — расцепление сети. Коммутаторы и стойки с XPU-серверами можно размещать раздельно, в пределах одного перехода строить полносвязную топологию на 8–10 серверных стоек, и число XPU ограничивается только радиксом коммутатора, а не длиной кабеля. Требование со стороны спроса, приведённое в статье: будущая полоса XPU превысит 50 Тбит/с, что требует плотности выводимой (escape) полосы более 0,6 Тбит/с на мм.
Цель статьи — 850-нм VCSEL с оксидной апертурой, работающий в PAM4 на символьной скорости 106 ГБод, что соответствует 200 Гбит/с на канал. Моделирование задало два порога: полоса по уровню −3 дБ должна превышать 35 ГГц, а относительный шум интенсивности — быть ниже −152 дБ/Гц.
Оптимизация конструкции сосредоточена на четырёх направлениях: повышение дифференциального усиления, чтобы поднять максимальную резонансную частоту и полосу; улучшение транспорта носителей в p-n-переходе; оптимизация отстройки резонатора — соотношения между резонансной длиной волны резонатора Фабри — Перо и пиком усиления материала, которое определяет поведение порогового тока с температурой; снижение теплового сопротивления, чтобы уменьшить температуру перехода при рабочем смещении. Технологически используются эпитаксия и производственный маршрут уже серийных VCSEL 100 Гбит/с PAM4: оксидная апертура формируется травлением канавок с последующим боковым влажным окислением, а многоэнергетическая ионная имплантация снижает ёмкость контактных площадок. В зеркалах применены распределённые брэгговские отражатели с меньшим тепловым импедансом, чтобы компенсировать высокое тепловое сопротивление, присущее приборам малого размера.
Измерения в целом совпали с моделированием. При смещениях 8, 9 и 10 мА полоса по уровню −3 дБ во всех случаях превысила 35 ГГц; при 9 мА относительный шум интенсивности оказался ниже −152 дБ/Гц при оптической мощности более 3 мВт и напряжении около 2,5 В. В испытаниях большим сигналом PAM4 на 106,25 ГБод глазковые диаграммы остались открытыми на трёх линиях: 2 м, 30 м стандартного волокна OM4 и 50 м специального волокна.
Кривая коэффициента ошибок ещё нагляднее показывает прогресс. На OFC в марте 2024 года нескорректированный BER был ниже 1E-6; на ECOC в сентябре того же года — ниже 1E-7; на OFC в марте 2025 года достигнуто около 1E-8, а на линии OM4 длиной 50 м трафик прогонялся 9 часов — зафиксировано не более 5 исправимых ошибок кадров и ни одной неисправимой. По надёжности: отгруженные каналы VCSEL 50G и 100G в сумме превысили 100 млн штук и более 5 трлн приборо-часов при нулевых возвратах с эксплуатации и интенсивности отказов ниже 0,1 FIT. Ускоренные испытания на старение приборов нового поколения проводятся при 100 °C и постоянном токе 9 мА, тенденция деградации аналогична продуктам 100G.
Предложенная в статье схема оптики рядом с корпусом (near-package optics) — то место, где эти показатели должны воплотиться. В самодостаточном корпусе размещены четыре массива VCSEL 1×8 с соответствующими микросхемами драйверов, четыре массива фотодетекторов 1×8 с трансимпедансными усилителями и один микроконтроллер. При 100–128 Гбит/с на канал суммарная полоса одного движка составляет 3,2–4,1 Тбит/с. По оценке для 18 движков в компоновке 3×6 занимаемая площадь — около 120×60 мм, что обеспечивает 73,7 Тбит/с выводимой полосы при плотности выше 0,6 Тбит/с на мм.
Ключевое отличие — в электрическом тракте. Оптический движок находится на расстоянии от 15 до 65 мм от SerDes XPU, и суммарные вносимые потери канала от XPU до оптического движка составляют 6,6 дБ при 106 Гбит/с и 7,3 дБ при 128 Гбит/с. Для стандартного сменного оптического модуля потери от BGA до драйвера или трансимпедансного усилителя, по цитируемым в статье данным IEEE, составляют 8–16 дБ. При меньших потерях в линии не нужен DSP-чип для выравнивания, что одновременно экономит стоимость и энергопотребление.
Энергетический баланс тоже сходится. С драйверами VCSEL и трансимпедансными усилителями на КМОП-техпроцессе энергоэффективность всей линии, включая VCSEL, составляет около 1 пДж/бит. В пересчёте на 3,2 Тбит/с потребление одного оптического движка рядом с корпусом укладывается в 4 Вт. Для сравнения в статье приведены значения для кремниевой фотоники — 5–10 пДж/бит — и объяснено, что разница обусловлена тем, что одномодовому лазеру с распределённой обратной связью требуется больший ток накачки для ввода излучения в кремниевый модулятор.
Следующий шаг по плану авторов — продолжить оценку интенсивности отказов оптического движка рядом с корпусом на уровне всей системы и достроить модель надёжности. Стоит отметить, что опора этого направления — не максимальная производительность, а сочетание зрелого многомодового производства с КМОП-схемами драйверов: стоимостью и энергоэффективностью оно завоёвывает позицию на рынке. Для поставщиков оптических компонентов это означает, что центр конкуренции смещается от скорости одного канала к форме корпусирования и энергоэффективности на уровне системы.
Источник: MDPI Photonics 2026, 13(1), 90; оригинальное название: «200G VCSEL Development and Proposal of Using VCSELs for Near-Package-Optics Scale-Up Application»; авторы: Tzu Hao Chow, Jingyi Wang, Sizhu Jiang, M. V. Ramana Murty, Laura M. Giovane, Chee Parng Chuan, Lip Min Chong, Lowell Bacus, Xiaoyong Shan, Salvatore Sabbatino, Zixing Xue, I-Hsing Tan (Broadcom Inc.); DOI: https://doi.org/10.3390/photonics13010090; лицензия CC BY 4.0. Материал представляет собой сокращённый пересказ статьи без изменения технических выводов и исходных данных.