不同的光學通訊領域有哪些？電信、數據通訊、DCI 與光學收發器的角色

為什麼光通訊基礎設施在人工智慧時代變得越來越重要

我們每天都依賴網際網路連線、視訊串流和雲端服務。在這一切背後，是全球光通訊的基礎設施。然而，光通訊大致可依傳輸距離分為兩個領域。本文將說明這兩個光通訊領域，以及光學收發器在每個領域核心的重要性。

電信和數據通訊有什麼區別？它們是支援光通訊的兩個通訊領域。

隨著人工智慧在過去幾年迅速普及，通訊速度持續提升。數據流量也逐年成長，而人工智慧需求的擴張進一步加速了這一成長。支撐如此龐大數據通訊量的是光通訊基礎設施，它分為兩個網路域。

光通訊大致可分為兩個領域：電信與資料通訊。電信涵蓋城市與國家間的長距離通訊，而資料通訊則涵蓋資料中心內的短至中距離通訊。隨著人工智慧需求增加，高速通訊技術的發展加速，尤其是在資料通訊領域。*DCI（資料中心互連）將於本文後面更詳細說明。

電信和數據通訊如何連接：光通訊基礎設施的架構

下圖顯示光通訊基礎設施的整體結構，包含電信與數據通訊。當我們從智慧型手機存取雲端服務時，負責長距離通訊的電信與數據通訊協同傳輸資料。

雖然這兩個領域都以光纖物理連接，但根據服務提供者不同，它們屬於明顯不同的管轄範圍。在日本，電信領域由通訊業者如NTT管理，而在美國則由Verizon等業者管理。相較之下，資料中心由主要的雲端服務提供商（CSP）營運，包括Google、AWS、Meta和Microsoft。

交換和路由設備安裝在兩個域的邊界。這些設備在安全域之間切換並轉換訊號格式。我們日常通訊中所使用的數據就是透過這個複雜的網路進行交換的。

為什麼光學收發器不可或缺：它們在支援資料中心通訊中的角色

近年來資料流量的成長標誌著資料性質的轉變，其規模與人類活動產生的傳統資料成長截然不同。人工智慧是這項轉變的主要驅動力。訓練人工智慧模型需要反覆處理大量資料集，而使用訓練好的模型進行推理則需要即時效能。這些工作負載所需的運算資源比傳統資料消費所需的運算資源高出幾個數量級。

資料中心包含數萬個稱為機架的機箱，每個機箱內容納多塊伺服器板。雖然部署於伺服器上的 CPU、GPU 與 TPU 的性能至關重要，但伺服器板間及機架間的資料通訊速度同樣重要，對決定 AI 資料中心的整體處理效能同樣重要。

為了在伺服器板間及機架間高速傳輸大量資料，光通訊是不可或缺的。當電訊號在電路板上傳播數十公分甚至更遠時，訊號衰減與功耗會成為重大問題。因此，光纖甚至用於同一機架內的伺服器板間通訊。將電訊號轉換為光訊號的關鍵裝置是光收發器。欲了解光收發器的基本結構與運作原理，請參見下方文章。
光纖收發器基礎與近期趨勢

上方圖示出資料中心內的通訊距離（傳輸距離）及連接設備。
在所有這些層級中，光學收發器持續朝向更高速度演進。資料中心通訊正從現今主流的800 Gbps進步到1.6 Tbps，最終達到3.2 Tbps。同時，電信網路則提供城市與國家間的高容量長距離通訊。近年來，對人工智慧需求的增加也加速了對高速資料中心互連（DCI）通訊的需求。

推動資料中心互連 (DCI) 需求成長的因素

對於資料中心間高速通訊需求增加的原因之一，是近年來超大規模企業越來越多採用地理分布式資料中心架構。這種分散式部署的目的是確保業務連續性。提供全球雲端服務的公司會將資料中心分散在多個地點，以確保龐大的電力安全，即使單一資料中心因大規模停電、火災、天災或其他中斷而無法使用，也能持續提供服務。

另一個近期趨勢是「跨規模」架構的興起，這種架構中更快的DCI連結使地理分離的資料中心能以低延遲與低頻寬通訊，與單一資料中心相當。這使得多個物理分散的設施能作為統一的分散式資料中心系統運作。因此，資料中心間對高速通訊的需求持續成長。

DCI的技術要求

DCI 通常部署於約 10 至 80 公里的距離，連接都會區內的多個資料中心。因此，DCI 也是相干光通訊技術中備受關注的關鍵應用領域之一，相關內容將在另一篇文章中說明。

人工智慧時代快速成長的光收發器市場與未來展望

如本文所述，電信網路、資料中心互連及資料中心內通訊所使用的設備，皆透過光纖電纜連接。光纖收發器安裝於每個連接端。在發射端（Tx），光收發器將電訊號轉換為光訊號以供傳輸。在接收端（Rx），則將輸入的光訊號轉回電訊號。這種雙向電轉光及光電轉電的轉換，使得高速傳輸能跨越長距離。光收發器市場正快速擴張，尤其是在資料中心領域。隨著人工智慧需求成長，乙太網路收發器市場持續快速擴張，傳輸速度預計將進一步提升至1.6 Tbps與3.2 Tbps。

關於 bps、bps/lane 與波特率（Baud Rate）之間的差異，這些差異支撐了光學收發器速度的進步，以及 400 Gbps/通道時代的技術挑戰，請參閱以下文章。
光纖收發器通訊效能如何判斷？bps、bps/lane（頻段）與波特率（baud rate）的說明