不同的光通信领域有哪些？电信、数据通信、DCI和光收发器的作用

为什么光通信基础设施在人工智能时代变得越来越重要

我们每天都依赖互联网连接、视频流和云服务。在这些背后，是全球光通信基础设施。然而，光通信大致可以根据传输距离分为两个领域。本文将解释这两个光通信领域，以及每个领域核心中光收发器的重要性。

电信和数据通信有什么区别？它们是支持光通信的两个通信领域。

随着人工智能在过去几年中迅速普及，通信速度持续提升。数据流量也逐年增长，而人工智能需求的扩张进一步加速了这一增长。支撑如此庞大数据通信量的是光通信基础设施，它分为两个网络域。

光通信大致可分为两个领域：电信和数据通信。电信涵盖城市和国家之间的长距离通信，而数据通信则是数据中心内的短至中距离通信。随着对人工智能需求的增长，高速通信技术的发展正在加速，尤其是在数据通信领域。*DCI（数据中心互联）将在本文后面有更详细的解释。

电信和数据通信如何连接：光通信基础设施的架构

下图展示了光通信基础设施的整体结构，包括电信和数据通信。当我们从智能手机访问云服务时，负责长途通信的电信与数据通信协同传输数据。

虽然这两个领域都通过光纤物理连接，但根据服务提供商不同，它们属于明显不同的管辖区。在日本，电信领域由通信运营商如NTT管理，而在美国则由Verizon等运营商管理。相比之下，数据中心由主要的云服务提供商（CSP）运营，包括谷歌、AWS、Meta和Microsoft。

交换和路由设备安装在两个域的边界处。这些设备在安全域之间切换并转换信号格式。我们日常通信中使用的数据就是通过这个复杂的网络进行交换的。

为什么光收发器至关重要：它们在支持数据中心通信中的作用

近年来数据流量的增长标志着数据性质的转变，其规模与人类活动产生的传统数据增长截然不同。人工智能是这一转变的主要驱动力。训练人工智能模型需要反复处理海量数据集，而使用训练好的模型进行推理则需要实时性能。这些工作负载所需的计算资源比传统数据消费所需的计算资源高出几个数量级。

数据中心包含数万个被称为机架的机箱，每个机箱内容纳多块服务器板。虽然部署在服务器上的CPU、GPU和TPU的性能至关重要，但服务器板间及机架间的数据通信速度同样重要，决定了AI数据中心的整体处理性能。

为了在服务器板之间和机架间高速传输大量数据，光通信是必不可少的。当电信号在电路板上传播数十厘米甚至更远时，信号衰减和功耗成为重大问题。因此，光纤甚至在同一服务器机架内的服务器板之间也被用于通信。将电信号转换为光信号的关键功能是光收发器。有关光收发器基本结构和工作原理的更详细解释，请参见下文文章。
光收发器基础与近期趋势

上图展示了数据中心内的通信距离（传输距离）和连接设备。
在所有这些层级中，光收发器正不断向更高速度发展。数据中心通信正从当今主流的800 Gbps提升到1.6 Tbps，最终达到3.2 Tbps。与此同时，电信网络提供城市和国家之间的高容量长距离通信。近年来，对人工智能需求的增长也加速了对高速数据中心互联（DCI）通信的需求。

推动数据中心互连 (DCI) 需求增长的因素

数据中心之间对高速通信需求增长的一个原因是近年来，超大规模企业越来越多地采用地理分布式数据中心架构。这种分布式部署的目的是确保业务连续性。提供全球云服务的公司会将数据中心分布在多个地点，以确保其庞大电力供应，即使单个数据中心因大规模停电、火灾、自然灾害或其他中断而无法使用，也能继续提供服务。

另一个近期趋势是“跨规模”架构的出现，更快的DCI链路使地理分离的数据中心能够以低延迟和低带宽通信，达到与单一数据中心相当的水平。这使得多个物理分布的设施能够作为统一的分布式数据中心系统运行。因此，数据中心之间对高速通信的需求持续增长。

DCI的技术要求

DCI通常部署在大约10到80公里的距离内，连接大都市区内的多个数据中心。因此，DCI也是相干光通信技术中备受关注的关键应用领域之一，相关内容将在另一篇文章中详细说明。

人工智能时代快速增长的光学收发器市场及其未来展望

如本文所述，电信网络、数据中心互连及数据中心内通信中使用的设备均通过光纤电缆连接。光收发器安装在每个连接端。在发射端（Tx），光收发器将电信号转换为传输所需的光信号。接收端（Rx）则将输入的光信号转换回电信号。这种双向电转光和光转电的转换使得长距离高速数据传输成为可能。光收发器市场正在快速扩展，尤其是在数据中心领域。受AI需求增长推动，以太网收发器市场持续快速扩展，预计传输速度将进一步提升至1.6 Tbps和3.2 Tbps。

关于bps、bps/lane和波特率之间的差异的详细解释，这些差异支撑着光收发器速度的进步，以及400 Gbps/通道时代的技术挑战，请参见下文文章。
光收发器通信性能如何确定？bps、bps/通道和波特率的解释