ตัวรับส่งสัญญาณแสงช่วยลดการใช้พลังงาน
Nov 04, 2025|
ตัวรับส่งสัญญาณแบบออปติคอลช่วยลดการใช้พลังงานด้วยวิธีการหลักสามประการ ได้แก่ การรวมโฟโตนิกส์ของซิลิคอน ซึ่งช่วยลดการดึงพลังงานของส่วนประกอบ co-แพ็คเกจเลนส์ (CPO) ซึ่งทำให้เส้นทางไฟฟ้าสั้นลง และ linear Pluggable optics (LPO) ซึ่งช่วยลด-ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัลที่ใช้พลังงานสูง การใช้งานล่าสุดแสดงให้เห็นถึงการลดพลังงานลง 30-70% โดย CPO ปี 2024 ของ Broadcom มีอัตราการกินไฟต่ำกว่าปลั๊กแบบเดิมถึง 70% ในขณะที่โมดูล LPO ประหยัดพลังงานได้ประมาณ 50% โดยการถอดชิป DSP ซึ่งโดยทั่วไปคิดเป็นครึ่งหนึ่งของพลังงานโมดูลทั้งหมด
วิกฤตการณ์ด้านพลังงานในศูนย์ข้อมูลสมัยใหม่
การใช้พลังงานของศูนย์ข้อมูลถึงระดับวิกฤติเนื่องจากความต้องการแบนด์วิดธ์เพิ่มขึ้น ตัวรับส่งสัญญาณแบบออปติคัลกำลังสูง-มีส่วนช่วยอย่างมากต่อต้นทุนการดำเนินงาน โดยโมดูล 400G และ 800G กินไฟโมดูลละ 10-16 วัตต์ และโมดูลรุ่นต่อไปอาจมีกำลังเกิน 25 วัตต์ สิ่งนี้สร้างผลกระทบแบบเรียงซ้อน: ค่าไฟฟ้าที่สูงขึ้น ความต้องการการระบายความร้อนที่เพิ่มขึ้น และข้อจำกัดเกี่ยวกับความหนาแน่นในการใช้งาน
ตัวรับส่งสัญญาณ 800G แบบเดิมสามารถใช้พลังงานได้ถึง 30 วัตต์ ซึ่งคิดเป็น 40% หรือมากกว่าของการใช้พลังงานทั้งหมดของเครื่องจักร-เพิ่มขึ้น 22- เท่าตั้งแต่ปี 2010 ปัญหาดังกล่าวทวีความรุนแรงมากขึ้นด้วยภาระงานของ AI ซึ่งยอดขายตัวรับส่งสัญญาณแบบออปติคอลสำหรับคลัสเตอร์ AI มีมูลค่าเกิน 4 พันล้านดอลลาร์ในปี 2024 เพิ่มขึ้นจาก 2 พันล้านดอลลาร์ในปี 2023 ผู้ปฏิบัติงาน Hyperscale เผชิญกับความเป็นจริงโดยสิ้นเชิง: ไม่มี โซลูชั่นประหยัดพลังงาน การขยายความจุของเครือข่ายกลายเป็นสิ่งที่ไม่ยั่งยืนในเชิงเศรษฐกิจ
ปัญหามีศูนย์กลางอยู่ที่ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล ในโมดูลที่เสียบปลั๊กได้ DSP จะกินไฟประมาณ 50% ของพลังงานทั้งหมด ในระดับนี้สิ่งนี้จะกลายเป็นสิ่งต้องห้าม สวิตช์พอร์ต 64- ตัวเดียวที่ใช้ตัวรับส่งสัญญาณแบบเสียบได้ 15W แบบดั้งเดิมจะดึงพลังงานเกือบ 1,000 วัตต์สำหรับระบบออปติกเท่านั้น ก่อนที่จะพิจารณาถึงสวิตช์ ASIC พัดลมระบายความร้อน หรือความไร้ประสิทธิภาพในการจ่ายพลังงาน
ซิลิคอนโฟโตนิกส์: การบูรณาการ-ประสิทธิภาพที่ขับเคลื่อน
ซิลิคอนโฟโตนิกส์เปลี่ยนแปลงสถาปัตยกรรมตัวรับส่งสัญญาณแสงโดยพื้นฐานโดยการรวมส่วนประกอบต่างๆ ไว้ในชิปซิลิคอนตัวเดียว การรวมเข้าด้วยกันนี้จะช่วยลดการใช้พลังงานผ่านกลไกต่างๆ: ส่วนประกอบที่แยกจากกันน้อยลง, เส้นทางแสงที่ได้รับการปรับปรุง และความเข้ากันได้กับกระบวนการผลิต CMOS ขั้นสูง
เทคโนโลยีนี้ช่วยลดการใช้พลังงานควบคู่ไปกับความสามารถด้านแบนด์วิธที่สูงขึ้นในระหว่าง-ขั้นตอนการบูรณาการระดับกลาง โดยมีการตรวจจับ-แบบมอดูเลตโดยตรง-ความเข้มข้น และเครื่องรับส่งสัญญาณที่เชื่อมโยงกันของ WDM กลายเป็นผู้รับผลประโยชน์หลัก การเปลี่ยนจากส่วนประกอบอินเดียมฟอสไฟด์แบบแยกไปเป็นแพลตฟอร์มซิลิคอนแบบรวมทำให้ค่าความคลาดเคลื่อนเข้มงวดมากขึ้น การสูญเสียลดลง และการประมวลผลสัญญาณมีประสิทธิภาพมากขึ้น
ข้อได้เปรียบด้านการผลิตผลักดันให้เกิดผลกำไรเพิ่มเติม ซิลิคอนโฟโตนิกส์ใช้กระบวนการผลิต CMOS ทำให้สามารถทดสอบเป็นชุดผ่านวิธีการระดับเวเฟอร์- ซึ่งปรับปรุงประสิทธิภาพการทดสอบได้อย่างมาก ในขณะเดียวกันก็ลดปริมาณ ต้นทุนวัสดุ ต้นทุนชิป และต้นทุนบรรจุภัณฑ์ การผลิตเวเฟอร์มาตรฐานขนาด 8 นิ้วและใหญ่กว่านั้นแตกต่างอย่างมากกับเวเฟอร์ขนาด 2-4 นิ้วที่ใช้โดยทั่วไปสำหรับอินเดียมฟอสไฟด์ ทำให้มีการประหยัดต่อขนาดซึ่งแปลเป็นทั้งต้นทุนและผลประโยชน์ด้านพลังงาน
การเปิดตัวผลิตภัณฑ์ล่าสุดแสดงให้เห็นถึงผลลัพธ์ที่จับต้องได้ เลเซอร์คลื่นต่อเนื่องประสิทธิภาพสูง-ของ Coherent สำหรับซิลิคอนโฟโตนิกส์ให้ประสิทธิภาพในการใช้พลังงานเพิ่มขึ้นประมาณ 15% เมื่อเทียบกับมาตรฐานอุตสาหกรรม โดยมีเลเซอร์ขนาด 70 mW 1310 นาโนเมตรที่ออกแบบมาเพื่อการทำงานที่ไม่มีความเย็นสูงถึง 85 องศา โมดูล 400G ที่ใช้ซิลิคอนโฟโตนิกส์-ได้รับพลังงานน้อยกว่า 10 วัตต์ต่อพอร์ตในปี 2024 เมื่อเทียบกับอาร์เรย์รุ่นเก่าที่ใช้พลังงาน 12-16 วัตต์ โดยมีการจัดส่งมากกว่า 100,000 หน่วยภายในสิ้นปี
เทคโนโลยีนี้จัดการกับความท้าทายด้านพลังงานในระดับส่วนประกอบ พลังงานส่วนใหญ่ในตัวรับส่งสัญญาณถูกใช้โดยวงจรความเร็วสูง- และซิลิคอนโฟโตนิกส์จะช่วยลดการใช้พลังงานลงอย่างมากในขณะที่ขยายแบนด์วิดท์ข้อมูล โมดูเลเตอร์ มัลติเพล็กเซอร์ และเครื่องตรวจจับแสงแบบรวมทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าทางเลือกแบบแยกส่วน ในขณะที่การสูญเสียการมีเพศสัมพันธ์ที่ลดลงระหว่างส่วนประกอบต่างๆ จะรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณโดยไม่ต้องขยายเพิ่มเติม
ร่วม-แพ็คเกจเลนส์: ขจัดโทษปรับระยะห่าง
โค-แพ็คเกจออพติคแสดงถึงการเปลี่ยนกระบวนทัศน์-ในการย้ายกลไกออพติคอลจากโมดูลที่เสียบได้โดยตรงไปยังแพ็คเกจสวิตช์ การบูรณาการที่รุนแรงนี้ช่วยลดการใช้พลังงานโดยจัดการกับสาเหตุที่แท้จริง นั่นคือ ร่องรอยทางไฟฟ้าที่ยาวนานระหว่างสวิตช์ ASIC และส่วนประกอบแบบออปติคัล
ตัวรับส่งสัญญาณแบบเสียบได้แบบดั้งเดิมมีการดึงพลังงานสูง โดยมักจะอยู่ที่ 30W ต่ออินเทอร์เฟซ โดยมีการเชื่อมต่อไฟเบอร์ผ่านเส้นทาง PCB ยาวที่สร้างการสูญเสียทางไฟฟ้าเกิน 20 dB ในทางตรงกันข้าม CPO ผสานรวมกลไกออปติคัลไว้ข้าง ASIC โดยตรง ซึ่งช่วยลดการสูญเสียทางไฟฟ้าลงได้ประมาณ 4 dB และลดการใช้พลังงานให้เหลือเพียง 9W เส้นทางสัญญาณที่สั้นลงช่วยลดความจำเป็นในการใช้พลังงาน-การปรับสภาพและการปรับสัญญาณที่ต้องใช้กำลังมาก
การระบุปริมาณผลกระทบเผยให้เห็นการปรับปรุงอย่างมาก การสลับเครือข่ายโดยใช้ซิลิคอนโฟโตนิกส์-ของ NVIDIA ช่วยลดการใช้พลังงานลง 3.5 เท่า โดยกำจัด DSP ภายนอกขนาดใหญ่ และลดเส้นทางสัญญาณจากนิ้วเป็นมิลลิเมตร การวิเคราะห์ทางอุตสาหกรรมแสดงให้เห็นว่า CPO ลดการใช้พลังงานจากประมาณ 15 pJ/บิตด้วยโมดูลแบบเสียบได้เหลือประมาณ 5 pJ/บิต โดยมีเส้นทางที่คาดการณ์ไว้ต่ำกว่า 1 pJ/บิต
ผลประโยชน์ระดับระบบ-ประกอบกับผลประโยชน์ที่ได้รับเหล่านี้ ที่ความจุสวิตช์ 51.2TB นั้น CPO จะลดการใช้พลังงานออปติกลงอย่างมาก ซึ่งส่งผลให้ระบบโดยรวม-ลดพลังงานในวงกว้างได้ถึง 25-30% สิ่งนี้ไม่เพียงแค่ช่วยประหยัดการสร้างความร้อนที่ลดพลังงานของตัวรับส่งสัญญาณเท่านั้น แต่ยังหมายถึงโครงสร้างพื้นฐานในการระบายความร้อนที่น้อยลง ความเร็วพัดลมที่ลดลง และค่าใช้จ่ายในการจ่ายพลังงานที่ลดลงอีกด้วย
แนวทางปฏิบัติแตกต่างกันไป Broadcom รายงานประมาณ 5.5W ต่อพอร์ต 800Gb/s สำหรับโซลูชัน CPO เทียบกับประมาณ 15W สำหรับโมดูลที่เสียบได้เทียบเท่า ซึ่งแปลเป็น 6-7 pJ/bit สำหรับออปติคอลลิงก์-คลาส-ชั้นนำสำหรับปี 2024 ทั้งการออกแบบของ Broadcom และ NVIDIA เก็บเลเซอร์กำลังสูงไว้นอกแพ็คเกจหลักในโมดูลแหล่งกำเนิดเลเซอร์ภายนอกที่เสียบได้ สร้างความสมดุลระหว่างประโยชน์ในการบูรณาการกับการจัดการระบายความร้อนและความสามารถในการให้บริการภาคสนาม
การคำนวณประสิทธิภาพพลังงานมีความน่าสนใจในระดับหนึ่ง สวิตช์ CPO พอร์ต 64- ที่โหลดเต็มที่ช่วยประหยัดพลังงานได้หลายร้อยวัตต์ เมื่อเทียบกับสวิตช์ที่เทียบเท่าแบบเสียบได้ สวิตช์มากกว่าหลายพันตัวในการปรับใช้ระดับไฮเปอร์สเกล ซึ่งแปลเป็นการประหยัดระดับเมกะวัตต์- ซึ่งเพียงพอที่จะจ่ายพลังงานให้กับปีกอาคารทั้งหมด หรือกำจัดการขยายโครงสร้างพื้นฐานการทำความเย็น
เลนส์เชิงเส้นแบบเสียบได้: แนวทางที่กำหนดเป้าหมาย
LPO ใช้วิธีการผ่าตัดเพื่อแก้ไขปัญหาพลังงาน โดยถอด DSP ออกจากตัวรับส่งสัญญาณทั้งหมด และจัดการการประมวลผลสัญญาณในสวิตช์ ASIC การเปลี่ยนแปลงทางสถาปัตยกรรมนี้ช่วยประหยัดพลังงานได้มากในขณะเดียวกันก็รักษาความยืดหยุ่นของโมดูลแบบเสียบได้
LPO กำจัดตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัลโดยสิ้นเชิง โดยอาศัยโฮสต์ ASIC แทนหรือเปลี่ยน SerDes เพื่อการปรับสมดุลและการสอบเทียบ ลดการใช้พลังงานลง 40-50% และเวลาแฝงหลายนาโนวินาที ในโมดูลออปติคัล 400G นั้น DSP ขนาด 7 นาโนเมตรกินไฟประมาณ 4W ซึ่งคิดเป็นประมาณ 50% ของการใช้พลังงานของโมดูลทั้งหมด การถอดส่วนประกอบนี้ออกจะทำให้ได้กำไรทันทีและวัดผลได้
การใช้งานด้านเทคนิคขึ้นอยู่กับความสามารถของซิลิคอน เมื่อเทคโนโลยีพัฒนาขึ้น switch SerDes ได้รับความสามารถ DSP ที่เพียงพอในการจัดการทั้งงานและฟังก์ชันของตัวเองที่ทำก่อนหน้านี้ในโมดูลแบบเสียบปลั๊กได้ สิ่งที่เหลืออยู่ในโมดูล LPO คือวงจรอีควอไลเซอร์พื้นฐานและเครื่องขยายสัญญาณทรานส์อิมพีแดนซ์-ส่วนประกอบกำลังที่ต่ำกว่า DSP ASIC แบบเต็มมาก
การใช้งานจริง-ในโลกแห่งความเป็นจริงช่วยยืนยันแนวคิดนี้ Broadcom รายงานต่อสาธารณะว่าสามารถประหยัดพลังงานได้ประมาณ 35% ด้วยการใช้ LPO ตัวรับส่งสัญญาณ DSP- ที่ขับเคลื่อนด้วย 400GbE แบบดั้งเดิมสามารถใช้พลังงานได้ 7-9 วัตต์ ในขณะที่ตัวรับส่งสัญญาณ 400GbE LPO โดยทั่วไปต้องใช้เพียง 2-4 วัตต์เท่านั้น การลดลงอย่างมากนี้พิสูจน์ให้เห็นถึงความสำคัญสำหรับศูนย์ข้อมูลที่จำกัดด้านพลังงาน
โซลูชันนี้มุ่งเป้าไปที่กรณีการใช้งานเฉพาะ LPO ทำงานได้ดีที่สุดใน-การเข้าถึงระยะสั้นและสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุม เช่น คลัสเตอร์ AI ในขณะที่ออปติก DSP ยังคงจำเป็นสำหรับระยะทางที่ไกลกว่าหรือเครือข่ายที่แตกต่างกัน LRO แสดงถึงโซลูชันประนีประนอมโดยประหยัดพลังงานและต้นทุนประมาณครึ่งหนึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับอินเทอร์เฟซ LPO ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงต่อประสิทธิภาพการเชื่อมโยงโดยรวมได้อย่างมาก ผู้ปฏิบัติงานสามารถปรับใช้ LPO อย่างมีกลยุทธ์ในตำแหน่งที่เป็นเลิศในขณะที่ใช้โมดูลที่ใช้ DSP- ในที่อื่น
มาตรฐานอุตสาหกรรมกำลังก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว LPO MSA รวบรวมสมาชิกที่หลากหลายเพื่อกำหนดข้อกำหนดด้านแสงและไฟฟ้าที่จำเป็น ทำให้เกิดระบบนิเวศที่แข็งแกร่งของผลิตภัณฑ์ LPO ที่เข้ากันได้ ข้อกำหนดการทำงานร่วมกันของผู้ให้บริการ-หลายรายทำให้โมดูล LPO มีฟังก์ชันการทำงานแบบพลักแอนด์เพลย์-และ-ผ่านผู้จำหน่ายอุปกรณ์เครือข่ายต่างๆ ซึ่งจะช่วยเร่งให้เกิดการยอมรับ
การปรับขั้นสูงและการเพิ่มประสิทธิภาพ DSP
แม้ว่าการกำจัด DSP จะนำเสนอเส้นทางหนึ่งสู่ประสิทธิภาพ แต่การเพิ่มประสิทธิภาพจะให้อีกเส้นทางหนึ่ง รูปแบบการปรับขั้นสูงและตัวประมวลผลสัญญาณรุ่นถัดไป-สามารถรักษาหรือปรับปรุงประสิทธิภาพในขณะที่ลดการดึงพลังงาน
DSP ที่ทันสมัยที่สุดที่ใช้ในตัวรับส่งสัญญาณ datacom ในปัจจุบันใช้ขนาดโหนด 5 นาโนเมตร โดยมีการผลักไปยังโหนดขนาดเล็กอย่างต่อเนื่องเพื่อลดการกระจายพลังงานไฟฟ้า ตัวรับส่งสัญญาณ DR8 1.6T- ของ Coherent ใช้ Marvell Ara DSP ซึ่งเป็น DSP ออปติคอล PAM4 ขนาด 3 นาโนเมตร 1.6T ซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อลดการกระจายพลังงานของตัวรับส่งสัญญาณออปติคอล 1.6T มากกว่า 20% โหนดกระบวนการหดตัวให้ประโยชน์ด้านพลังงานโดยตรงผ่านพลังงานการเปลี่ยนทรานซิสเตอร์ที่ลดลงและกระแสรั่วไหลที่ลดลง
ตัวเลือกรูปแบบการปรับส่งผลกระทบอย่างมากต่องบประมาณด้านพลังงาน การปรับ PAM4 ช่วยให้อัตราข้อมูลเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าบนโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่ แต่ต้องใช้การประมวลผลสัญญาณที่ซับซ้อนมากกว่าการเปิด-การปิดคีย์ที่ง่ายกว่า รูปแบบการมอดูเลชั่นลำดับที่สูงขึ้น- เช่น 16-QAM หรือ 64-QAM ผลักดันประสิทธิภาพสเปกตรัมให้สูงขึ้น แต่ต้องการความซับซ้อนของ DSP เพิ่มขึ้น วิศวกรจะต้องสร้างสมดุลระหว่างการแลกเปลี่ยนเหล่านี้ตามความต้องการในการเข้าถึง คุณภาพเส้นใย และงบประมาณด้านพลังงานที่มีอยู่
เทคโนโลยีการตรวจจับที่สอดคล้องกันช่วยให้เข้าถึงได้ไกลขึ้นและมีความไวที่ดีขึ้น เทคโนโลยี Coherent 800G ZR/ZR+ เพิ่มความเร็วเป็นสองเท่าจาก 400G ZR/ZR+ และมีตัวเลือกเคสการใช้งานที่กว้างขึ้น แม้ว่าเวอร์ชัน 800G ที่สาธิตที่ OFC ใช้พลังงานเกือบ 30 วัตต์ ทำให้เกิดความท้าทายในการจัดการระบายความร้อน ในขณะที่การใช้พลังงานยังคงมีอยู่มาก เลนส์ที่เชื่อมโยงกันจะเข้ามาแทนที่ลิงก์ตรวจจับโดยตรงหลายตัว ซึ่งอาจลดพลังงานของระบบทั้งหมดลง
การเพิ่มประสิทธิภาพอัลกอริทึมยังคงให้ผลกำไรอย่างต่อเนื่อง DSP สมัยใหม่ใช้การปรับสมดุลแบบปรับได้ การแก้ไขข้อผิดพลาดไปข้างหน้า และการชดเชยการกระจายผ่านอัลกอริธึมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ด้วยการปรับแต่งการประมวลผลให้เข้ากับเงื่อนไขการเชื่อมต่อจริงแทนที่จะเป็นสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด- DSP อัจฉริยะสามารถปรับขนาดการใช้พลังงานแบบไดนามิกตามคุณภาพของช่องสัญญาณ
การจัดการระบายความร้อนและระบบ-ประสิทธิภาพระดับ
การใช้พลังงานและการจัดการความร้อนเป็นคู่ที่แยกกันไม่ออกในการออกแบบตัวรับส่งสัญญาณแบบออปติคัล. 800ตัวรับส่งสัญญาณ G ทำงานโดยใช้กำลังไฟประมาณ 20W ซึ่งต้องการการกระจายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ พลังงานไฟฟ้าทุกวัตต์จะกลายเป็นความร้อนที่ต้องกำจัดออกจากระบบในที่สุด
สำหรับโมดูลออปติคัลประเภทแพ็คเกจ OSFP โปรโตคอลจะระบุช่วงอิมพีแดนซ์ของครีบระบายความร้อนอย่างชัดเจน การออกแบบการระบายความร้อนที่เหมาะสมช่วยให้โมดูลทำงานที่อุณหภูมิแวดล้อมที่สูงขึ้นโดยไม่ต้องควบคุมปริมาณ โดยรักษาประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมของชั้นวางที่หนาแน่น ในทางกลับกัน การจัดการระบายความร้อนที่ไม่ดีจะลดกำลังลง แบนด์วิธที่มีประสิทธิภาพลดลงหรือเพิ่มอัตราข้อผิดพลาด
โค-ออปติกแบบบรรจุภัณฑ์เผชิญกับความท้าทายด้านความร้อนที่ไม่เหมือนใคร ความหนาแน่นของพลังงานสูงและครอสทอล์คความร้อนซึ่งเป็นผลมาจากความหนาแน่นของการบูรณาการสูงทำให้การจัดการระบายความร้อนเป็นหนึ่งในความท้าทายหลักที่จำกัดความน่าเชื่อถือของ-ออปติกร่วม{3}}ที่มีความจุสูงในบรรจุภัณฑ์ การวางเอ็นจิ้นออปติคอลไว้ติดกับสวิตช์ ASIC จะสร้างจุดร้อนความร้อนที่ต้องใช้กลยุทธ์การระบายความร้อนที่ซับซ้อน
แนวทางแก้ไขมีทั้งแนวทางเชิงรับและเชิงรุก ฮีทซิงค์ขั้นสูงพร้อมรูปทรงครีบที่ปรับให้เหมาะสม วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่า และการจัดวางส่วนประกอบอย่างระมัดระวัง ล้วนมีส่วนช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการระบายความร้อน การใช้งานบางอย่างใช้การระบายความร้อนด้วยของเหลว โดยสวิตช์ CPO 51.2T ต้องใช้การระบายความร้อนด้วยของเหลวที่เคลือบเย็น- เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานที่เข้มข้นบนแพ็คเกจ ASIC แม้ว่าหน่วยต่างๆ จะสามารถทำงานร่วมกับการระบายความร้อนด้วยอากาศประสิทธิภาพสูง-ได้ก็ตาม
ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานและการทำความเย็นทำให้เกิดผลทวีคูณ ตัวรับส่งสัญญาณ 10W ไม่เพียงแต่กินไฟ 10W- แต่ยังต้องใช้โครงสร้างพื้นฐานในการทำความเย็นที่ตัวมันเองใช้พลังงานด้วย อัตราส่วนประสิทธิภาพการใช้พลังงาน (PUE) ระดับสิ่งอำนวยความสะดวกหมายความว่าพลังงานทุกวัตต์ของอุปกรณ์ไอทีอาจต้องใช้การทำความเย็นเพิ่มเติม 0.5-1.0 วัตต์ การลดกำลังรับส่งสัญญาณจึงให้ประโยชน์แบบทบต้นทั่วทั้งสแต็กโครงสร้างพื้นฐาน
พลวัตของตลาดและรูปแบบการรับเลี้ยงบุตรบุญธรรม
ประสิทธิภาพการใช้พลังงานกลายเป็นเกณฑ์การซื้อหลัก ตัวรับส่งสัญญาณโฟโตนิก DR4 200G/400G ซิลิคอน-ของ Intel ประจำเดือนมีนาคม 2024 ลดการใช้พลังงานได้มากถึงประมาณ 30% เมื่อเทียบกับโมดูลแบบเดิม โดยเน้นย้ำประสิทธิภาพเป็นเกณฑ์สำคัญในการซื้อสำหรับไฮเปอร์สเกลเลอร์ ระหว่างปี 2020 ถึง 2024 การใช้เลนส์โคฮีเรนต์ ซิลิคอนโฟโตนิกส์ และตัวรับส่งสัญญาณแบบเสียบปลั๊กเพิ่มขึ้น ช่วยเพิ่มแบนด์วิธให้สูงสุดและลดการใช้พลังงาน
การเติบโตของตลาดสะท้อนให้เห็นถึงลำดับความสำคัญเหล่านี้ ตลาดตัวรับส่งสัญญาณแสงทั่วโลกคาดว่าจะเติบโตจาก 10,055 ล้านดอลลาร์ในปี 2567 เป็น 26,166.87 ล้านดอลลาร์ภายในปี 2575 โดยมี CAGR ที่ 12.70% ตลาดสำหรับตัวรับส่งสัญญาณแบบออปติคอลที่ใช้ซิลิคอนโฟโตนิกส์-คาดว่าจะขยายตัวจาก 7 พันล้านดอลลาร์ในปี 2567 เป็นมากกว่า 24 พันล้านดอลลาร์ภายในปี 2573 โดยตัวรับส่งสัญญาณที่ใช้โฟโตนิกส์ซิลิคอน-คาดว่าจะคิดเป็น 60% ของตลาดภายในสิ้นทศวรรษนี้
การนำไปใช้เฉพาะกลุ่ม-จะแตกต่างกันไป LightCounting อ้างถึงการนำตัวรับส่งสัญญาณ LPO และ-แพ็คเกจออปติกร่วมมาช่วยลดการใช้พลังงานลงอย่างมากเมื่อเทียบกับตัวรับส่งสัญญาณแบบรีไทม์มาตรฐานที่มีชิป PAM4 DSP แม้ว่าปลั๊กแบบรี-แบบรีไทม์แบบเดิมจะยังคงครองตลาดต่อไปอีกห้าปีข้างหน้า การใช้งาน AI และไฮเปอร์สเกลผลักดันให้เกิดการนำเทคโนโลยีขั้นสูงมาใช้ตั้งแต่เนิ่นๆ ในขณะที่กลุ่มองค์กรและโทรคมนาคมดำเนินตามเส้นทางการอัพเกรดที่อนุรักษ์นิยมมากขึ้น
ราคา-วิวัฒนาการด้านประสิทธิภาพช่วยเร่งการยอมรับ โมดูล 400G ที่ใช้ซิลิคอนโฟโตนิกส์-มีค่าใช้จ่าย-ประสิทธิภาพที่ 0.50 ดอลลาร์ต่อ Gbps ในปี 2024 ซึ่งช่วยเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขัน เมื่อขนาดการผลิตและเทคโนโลยีเติบโตเต็มที่ ค่าพรีเมียมสำหรับโซลูชันที่ประหยัดพลังงาน-ก็แคบลง ทำให้สามารถนำไปใช้ได้ในกลุ่มตลาดที่กว้างขึ้น นอกเหนือจากผู้บุกเบิกระดับไฮเปอร์สเกล
รูปแบบการปรับใช้รูปร่างของไดนามิกระดับภูมิภาค เอเชีย-แปซิฟิกเป็นผู้นำด้านปริมาณการจัดส่งที่ 39% ในปี 2024 ซึ่งขับเคลื่อนโดยจีน อินเดีย ญี่ปุ่น และเกาหลีใต้ โดยมีบริษัทคลาวด์ยักษ์ใหญ่ของจีนใช้งานโมดูล QSFP-DD/400G มากกว่า 1.5 ล้านโมดูล ภูมิภาคต่างๆ ให้ความสำคัญกับปัจจัยที่แตกต่างกัน -อเมริกาเหนือเน้นที่-ประสิทธิภาพที่ล้ำหน้า เอเชีย-แปซิฟิกเน้นที่ปริมาณและความคุ้มค่า และยุโรปให้ความสำคัญกับความยั่งยืนด้านสิ่งแวดล้อมมากขึ้น
ข้อควรพิจารณาในการดำเนินการสำหรับผู้ให้บริการเครือข่าย
การใช้ตัวรับส่งสัญญาณแบบออปติคอลที่ใช้พลังงาน{0}}อย่างมีประสิทธิภาพจำเป็นต้องมีการวางแผนอย่างรอบคอบ นอกเหนือจากการเปลี่ยนโมดูลเพียงอย่างเดียว ความพร้อมของโครงสร้างพื้นฐาน การตรวจสอบความเข้ากันได้ และการจัดการวงจรการใช้งาน ล้วนมีอิทธิพลต่อการใช้งานที่ประสบความสำเร็จ
โครงสร้างพื้นฐานการส่งพลังงานต้องรองรับโมดูลประเภทใหม่ การบูรณาการ CPO ต้องใช้นวัตกรรมในการจ่ายพลังงานเพื่อกระจายกระแสไฟฟ้าไปยังสวิตช์ ASIC และออปติคอลไทล์ในพื้นที่ขนาดเล็ก สวิตช์ที่มีอยู่ซึ่งออกแบบมาสำหรับโมดูล 10W อาจขาดรางส่งกำลังหรือการออกแบบการระบายความร้อนเพื่อรองรับโมดูล-พลังงานที่เชื่อมโยงกันที่สูงกว่า แม้ว่ากำลังไฟทั้งหมดของระบบจะลดลงด้วยออปติกการเข้าถึง-ระยะสั้นที่มีประสิทธิภาพ
การทดสอบการทำงานร่วมกันถือเป็นสิ่งสำคัญ โมดูลที่สอดคล้องกับ LPO MSA- ช่วยให้มั่นใจได้ว่าพอร์ตใดๆ บนสวิตช์หรือ NIC จะทำงานร่วมกับโมดูลที่สอดคล้องใดๆ โดยมีข้อกำหนดเฉพาะที่ทำให้แน่ใจได้ว่า-ผู้ขายหลายรายสามารถทำงานร่วมกันได้ อย่างไรก็ตาม การทำงานร่วมกันของ Linear Drive Optics เป็นเรื่องที่น่ากังวล โดย OFC 2024 สาธิตการทดสอบการทำงานร่วมกันของผู้ให้บริการ- LPO หลายรายที่บูธ OIF ซึ่งแสดงให้เห็นอัตราข้อผิดพลาดบิตก่อน- FEC ที่น่าประทับใจ ผู้ปฏิบัติงานควรทำการทดสอบอย่างละเอียดก่อนที่จะใช้งานการผลิต
กลยุทธ์การย้ายถิ่นสร้างสมดุลระหว่างความเสี่ยงและผลตอบแทน การใช้งาน Greenfield มอบความยืดหยุ่นสูงสุดในการนำเทคโนโลยีล่าสุดมาใช้ ในขณะที่การอัพเกรด Brownfield จะต้องพิจารณาความเข้ากันได้ของฐานที่ติดตั้งไว้ การใช้งาน 400G มีแนวโน้มที่จะเร่งตัวเร็วขึ้น โดยองค์กรและโทรคมนาคมจะตามทันความก้าวหน้าที่นำโดยผู้ให้บริการไฮเปอร์สเกลและคลาวด์ การย้ายข้อมูลแบบเป็นขั้นช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานปรับใช้โซลูชันที่ประหยัดพลังงาน- โดยให้ประโยชน์สูงสุดในขณะที่ยังคงรักษาความเข้ากันได้กับโครงสร้างพื้นฐานแบบเดิม
การเลือกผู้จัดจำหน่ายเกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนระหว่างระดับการบูรณาการ โซลูชันแบบครบวงจรจากผู้ขายรายเดียวให้การตรวจสอบที่ง่ายกว่า แต่อาจมีต้นทุนที่สูงกว่า และการล็อคตัวของผู้ขาย- แนวทางผู้จำหน่ายหลายราย-ให้ความยืดหยุ่นและการแข่งขัน แต่ต้องมีการทดสอบที่ครอบคลุมมากขึ้น บริษัทต่างๆ มุ่งเน้นไปที่การเป็นหุ้นส่วน การทำงานร่วมกัน และการเข้าซื้อกิจการเพื่อให้บรรลุความได้เปรียบทางการแข่งขันในตลาดตัวรับส่งสัญญาณแบบออปติคัล
ข้อเสียเปรียบด้านประสิทธิภาพและข้อจำกัดทางเทคนิค
การลดกำลังมาพร้อมกับข้อควรพิจารณาที่นอกเหนือไปจากการวัดกำลังไฟฟ้าแบบธรรมดา ข้อจำกัดในการเข้าถึง ข้อกำหนดความสมบูรณ์ของสัญญาณ และความซับซ้อนในการปฏิบัติงาน ล้วนเป็นปัจจัยในการตัดสินใจปรับใช้
เนื่องจากการสูญเสียการแทรกจำนวนมาก ตัวรับส่งสัญญาณซิลิคอนโฟโตนิกส์จึงสามารถรักษาความน่าเชื่อถือที่เพียงพอในการส่งผ่านระยะสั้น-เท่านั้น ทำให้เป็นเรื่องยากที่จะตระหนักถึงการรวมอุปกรณ์ที่ทำงานอยู่ เช่น แหล่งกำเนิดแสงและเครื่องขยายสัญญาณแบบออปติคอลในระยะสั้น สิ่งนี้จะจำกัดซิลิคอนโฟโตนิกส์ในการเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูลในระยะทางไม่เกิน 10 กม. เป็นหลัก ซึ่งต้องการโซลูชันที่แตกต่างกันสำหรับการใช้งานในรถไฟใต้ดินและระยะไกล-
LPO เผชิญกับข้อจำกัดทางเทคนิคที่เฉพาะเจาะจง ข้อดีข้อเสียของ LPO คือ ต้องมีการสอบเทียบปลาย-ถึง-ปลายที่แม่นยำระหว่างโฮสต์และโมดูล ซึ่งเป็นความท้าทายที่ได้รับการจัดการในปัจจุบันผ่านโครงการริเริ่มข้อตกลงแหล่งที่มาหลาย- LPO LRO แสดงถึงการประนีประนอมโดยประหยัดพลังงานและต้นทุนประมาณครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับ LPO โดยข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดคือการลดความเสี่ยงต่อประสิทธิภาพการเชื่อมต่อโดยรวมลงอย่างมาก ผู้ปฏิบัติงานต้องชั่งน้ำหนักการประหยัดพลังงานกับความซับซ้อนในการใช้งาน
วิวัฒนาการของฟอร์มแฟคเตอร์ทำให้เกิดความท้าทายด้านความเข้ากันได้ การอภิปรายอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับ OSFP และ QSFP ยังคงดำเนินต่อไปใน 800G โดยที่ datacom หันไปทาง OSFP และโทรคมนาคม/บรอดแบนด์ที่ต้องการ QSFP แม้ว่าจะมีความไม่แน่นอนมากกว่าสำหรับเทคโนโลยี 1.6T เนื่องจากชิ้นส่วนที่ใช้พลังงานมาก-และจุดโฟกัสการกระจายความร้อน รอบการรีเฟรชอุปกรณ์อาจไม่สอดคล้องกับการสร้างเทคโนโลยีตัวรับส่งสัญญาณที่เหมาะสมที่สุด
การพิจารณาความน่าเชื่อถือส่งผลต่อต้นทุนการเป็นเจ้าของทั้งหมด RAN ต้องใช้ช่วงอุณหภูมิอุตสาหกรรมตั้งแต่ -40 ถึง 85 องศา โดยความหนาแน่นของส่วนประกอบจะเพิ่มขึ้นจนเกินขอบเขตด้านบน 100 องศา การออกแบบที่ประหยัดพลังงานต้องรักษาความน่าเชื่อถือในทุกสภาวะการทำงาน โดยไม่ต้องมีระบบสำรองหรือการจัดการระบายความร้อนที่มีราคาแพง
วิถีแห่งอนาคตและเทคโนโลยีเกิดใหม่
แผนงานไปสู่ 1.6T ขึ้นไปยังคงให้ความสำคัญกับประสิทธิภาพการใช้พลังงานควบคู่ไปกับการปรับขนาดแบนด์วิดท์ เทคโนโลยีซิลิคอนโฟโตนิกส์ของ ST ผสมผสานกับเทคโนโลยี BiCMOS ช่วยให้เกิดโซลูชัน 800 Gbps และ 1.6 Tbps พร้อมความก้าวหน้าในการปูทางสำหรับโมดูล 400 Gbps ต่อเลนสำหรับออปติกแบบเสียบได้ 3.2 Tbps ในอนาคต
ระดับการบูรณาการจะลึกซึ้งยิ่งขึ้น 3D PIC/EIC stack สามารถรวมเข้ากับ xPU ในแพ็คเกจขั้นสูงที่มี EMIB ได้ ส่งผลให้ได้โซลูชัน 3.5D CPO การบูรณาการสามมิติ-ของวงจรรวมโฟโตนิกและอิเล็กทรอนิกส์รับประกันว่าจะลดกำลังลงอีกผ่านความยาวการเชื่อมต่อที่ลดลงและเส้นทางระบายความร้อนที่ปรับให้เหมาะสม
โค-แพ็คเกจออปติก ซิลิคอนโฟโตนิกส์ และวงจรรวมโฟโตนิกจะขับเคลื่อนอัตราข้อมูลที่สูงขึ้นและการใช้พลังงานที่ลดลง ด้วยเครือข่ายตัวรับส่งสัญญาณที่ใช้ AI อัตโนมัติ- ช่วยให้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการรับส่งข้อมูล การลดเวลาแฝง และความน่าเชื่อถือของเครือข่าย ตัวรับส่งสัญญาณอัจฉริยะที่ปรับการมอดูเลต ระดับพลังงาน และการแก้ไขข้อผิดพลาดแบบไดนามิกตามเงื่อนไขของการเชื่อมต่อ แสดงถึงขอบเขตประสิทธิภาพถัดไป
โครงสร้างวัสดุและอุปกรณ์ใหม่ยังคงเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง กระบวนการผลิตขั้นสูงและโครงสร้างอุปกรณ์จำเป็นต้องมีการพัฒนาสำหรับ CPO โดยมีชิปโฟโตนิกซิลิคอนทำหน้าที่เป็นตัวประสานสำหรับการติดตามที่สั้นลงและสิ้นเปลืองพลังงานน้อยลง การบูรณาการที่แตกต่างกันช่วยให้สามารถรวม-ส่วนประกอบ-ส่วนประกอบ-อินเดียมฟอสไฟด์เลเซอร์ สารปรับสภาพซิลิกอน เครื่องตรวจจับแสงเจอร์เมเนียม-ที่ดีที่สุดเข้าด้วยกันบนแพลตฟอร์มทั่วไป
เป้าหมายสูงสุดนั้นขยายไปไกลกว่าตัวรับส่งสัญญาณแต่ละตัว โค-ออปติคัลแบบแพ็คเกจสามารถลดระดับการใช้พลังงานของสวิตช์-ได้ประมาณ 30% โดยการวางกลไกออปติกไว้บนพื้นผิวของสวิตช์โดยตรง การเพิ่มประสิทธิภาพระดับระบบ-เมื่อพิจารณาจากตัวรับส่งสัญญาณ สวิตช์ ASIC การระบายความร้อน และการส่งพลังงานแบบองค์รวมจะให้ผลประโยชน์ที่มากกว่าการเพิ่มประสิทธิภาพส่วนประกอบแบบแยกส่วน
คำถามที่พบบ่อย
ซิลิคอนโฟโตนิกส์สามารถประหยัดพลังงานได้มากเพียงใดเมื่อเทียบกับตัวรับส่งสัญญาณแบบเดิม
โมดูล 400G ที่ใช้ซิลิคอนโฟโตนิกส์{0}}ได้รับพลังงานน้อยกว่า 10W ต่อพอร์ตในปี 2024 เทียบกับ 12-16W สำหรับการใช้งานแบบเก่า การประหยัด 20-30% เป็นเรื่องปกติสำหรับฟังก์ชันการทำงานที่เทียบเท่า โดยจะลดลงได้มากขึ้นเมื่อรวมส่วนประกอบที่แยกจากกันหลายตัวเข้ากับวงจรรวมโฟโตนิกตัวเดียว
อะไรคือความแตกต่างที่สำคัญระหว่างแนวทาง CPO และ LPO?
CPO รวมเอ็นจิ้นออปติคอลเข้ากับแพ็คเกจสวิตช์โดยตรง ช่วยลดความสามารถในการเสียบปลั๊ก แต่ให้การใช้พลังงานและเวลาแฝงต่ำที่สุด LPO รักษาฟอร์มแฟคเตอร์ที่เสียบได้ในขณะที่กำจัด DSP ซึ่งลดพลังงานลง 40-50% และเวลาแฝงหลายนาโนวินาทีเมื่อเทียบกับโมดูลแบบดั้งเดิม CPO ช่วยให้ได้รับประสิทธิภาพที่มากขึ้น LPO ให้ความยืดหยุ่นในการปฏิบัติงาน
เครื่องรับส่งสัญญาณที่มีประสิทธิภาพ{0}}สามารถทำงานได้ในระยะทางที่ไกลกว่าหรือไม่
LPO ทำงานได้ดีที่สุดใน-การเข้าถึงระยะสั้นและสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุม เช่น คลัสเตอร์ AI ในขณะที่ออปติก DSP ยังคงจำเป็นสำหรับระยะทางที่ไกลกว่าหรือเครือข่ายที่แตกต่างกัน. 800โมดูล G coherent ZR+ ที่รองรับ 800G มากกว่า 80 กม. ทำงานที่ 18-20W ต่อโมดูล แสดงให้เห็นว่าการเข้าถึงที่ขยายต้องใช้พลังงานเพิ่มเติมสำหรับการประมวลผลสัญญาณและการขยายสัญญาณแบบออปติคอล
รูปแบบการมอดูเลตมีบทบาทอย่างไรต่อการใช้พลังงาน
รูปแบบการปรับขั้นสูง เช่น PAM4 และ QAM ช่วยให้อัตราข้อมูลสูงขึ้นบนโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่ แต่ต้องการการประมวลผลสัญญาณ-ที่ซับซ้อนและใช้พลังงาน-หิว-มากขึ้น การย้ายไปยังโหนดกระบวนการ DSP ที่เล็กกว่า เช่น 3 นาโนเมตรมีเป้าหมายเพื่อลดการกระจายพลังงานลงมากกว่า 20% สำหรับตัวรับส่งสัญญาณ 1.6T ซึ่งชดเชยความต้องการในการคำนวณที่เพิ่มขึ้นบางส่วนจากรูปแบบการปรับที่ซับซ้อน
แหล่งข้อมูล
Credence Research - รายงานตลาดเครื่องรับส่งสัญญาณแสง (ตุลาคม 2024)
MarketGenics - การวิเคราะห์ตลาดตัวรับส่งสัญญาณแสง (2025)
IEEE Conference Publication - DWDM-การพัฒนาโมดูล SFP
ResearchGate - 400 Gb/s การแยกพลังงานของตัวรับส่งสัญญาณแบบเสียบได้
FiberMall - 100การวิเคราะห์การใช้พลังงานของตัวรับส่งสัญญาณ G QSFP (ตุลาคม 2023)
อธิบายเครื่องรับส่งสัญญาณแสง Photonect Corp - (พฤษภาคม 2025)
EFFECT Photonics - การวิเคราะห์กำลังต่อบิต (กรกฎาคม 2024)
Future Market Insights - รายงานตลาดเครื่องรับส่งสัญญาณแสง (เมษายน 2025)