光模块在AI智能设备中的应用及其对晶振性能指标的要求

光模块（Optical Module），也称为光收发模块，是光通信设备中的关键组件，主要用于光电信号的转换。光模块能够将电信号转换成光信号进行传输，并将接收到的光信号转换成电信号。随着数据中心和高性能计算（HPC）系统在AI智能设备中的广泛应用，光模块的作用愈加重要。本文将介绍光模块在AI智能设备中的具体应用，并详细说明这些光模块对晶振频率和性能参数的具体要求。

 

光模块的分类

光模块根据功能可分为光收发一体模块（Transceiver）、光接收模块（Receiver）和光发送模块（Transmitter）；根据传输距离可分为短距离模块（SR）、中距离模块（LR）和长距离模块（ER、ZR）；根据传输速率可分为1Gbps、10Gbps、25Gbps、40Gbps、100Gbps、400Gbps等。

 

AI智能设备中光模块的应用

在AI智能设备中，光模块主要用于数据中心和高性能计算系统，提供高速、大容量的数据传输服务。随着AI计算量的急剧增加，数据中心内部和不同数据中心之间的数据传输需求也迅速增长。光模块在这些场景中的主要应用包括：

1. 高速互联：AI训练需要在大量服务器之间进行高速数据交换，光模块提供了10Gbps、25Gbps、40Gbps、100Gbps甚至更高的带宽，满足数据中心内部节点之间的高速互联需求。
2. 低延迟传输：AI模型训练和推理对数据传输的实时性要求较高，光模块能够提供低延迟的数据传输，保证数据的快速交互。
3. 高可靠性：光模块具有较高的传输稳定性和抗干扰能力，适应数据中心复杂的电磁环境，提高系统的可靠性。

 

光模块对晶振频率和参数性能指标的具体要求

光模块内部通常需要使用晶振来提供稳定的时钟信号。不同速率和应用的光模块对晶振频率和相关参数有不同的要求：

1. 频率准确度和稳定性：光模块需要高精度的晶振，通常要求频率误差在几十ppm（百万分之一）以内，以保证数据传输的准确性和稳定性。
2. 相位噪声和抖动：低相位噪声和抖动是确保高速信号传输质量的关键。高性能光模块需要使用低抖动的晶振，通常在几ps（皮秒）范围内。
3. 温度稳定性：光模块通常在宽温度范围内工作（如-40℃到85℃），晶振需要在此范围内保持良好的频率稳定性。
4. 功耗和体积：由于光模块的集成度较高，晶振的功耗和体积需要尽可能小，以节省电力和空间。

 

具体例子：数据中心中的100Gbps QSFP28光模块

1. 光模块介绍

QSFP28（Quad Small Form-factor Pluggable 28）光模块是目前数据中心中常用的100Gbps高速光模块，广泛用于数据中心内部和不同数据中心之间的高速数据传输。

 

2. 应用场景

在一个大型数据中心中，有大量的服务器、存储设备和网络设备，它们之间需要高速互联。例如，在AI训练任务中，数千个GPU服务器需要进行海量数据的实时交换，这时候需要使用100Gbps的光模块来确保数据的高效传输。

 

3. 晶振频率要求

QSFP28光模块内部通常会使用25.78 GHz的高速晶振。这些晶振用于生成发送端和接收端所需的时钟信号，以确保数据传输的同步和准确。

 

4. 具体性能指标

• 频率准确度和稳定性：晶振的频率误差需要控制在±20ppm以内，这样才能保证信号的稳定性和准确性，避免数据传输过程中的频率漂移。
• 相位噪声和抖动：QSFP28光模块要求晶振具有非常低的相位噪声，典型值在-130dBc/Hz @ 10kHz offset。抖动需要控制在1ps RMS以内，以确保高质量的信号传输。例如FCom富士晶振系列——FCO-5P-UJ
• 温度稳定性：晶振需要在-40℃到85℃的温度范围内保持稳定的工作频率，这是因为数据中心环境温度变化较大，晶振的稳定性直接影响光模块的性能。
• 功耗和体积：QSFP28光模块内部空间有限，要求晶振具有较小的封装尺寸（如5mm x 3.2mm）和低功耗（如1.8V供电下，功耗不超过10mW）。例如FCom富士晶振系列——FCO-5P-PJ

 

具体例子：25Gbps SFP28光模块

1. 光模块介绍

SFP28（Small Form-factor Pluggable 28）光模块用于25Gbps的数据传输，广泛应用于数据中心的服务器和交换机之间，提供更高的带宽以适应AI计算和数据处理的需求。

 

2. 应用场景

在数据中心内的服务器架构中，每台服务器需要通过25Gbps的链路与顶层交换机连接，这时候使用SFP28光模块可以提高连接带宽，减少延迟。例如，在AI推理任务中，服务器之间需要快速传输大量的模型数据和推理结果。

 

3. 晶振频率要求

SFP28光模块通常需要参考时钟频率为25MHz或156.25MHz的晶振，具体使用哪种频率取决于光模块设计和协议要求。例如FCom富士晶振系列——FCO-5C

 

4. 具体性能指标

• 频率准确度和稳定性：晶振的频率误差需要控制在±25ppm以内，确保传输信号的精确性。
• 相位噪声和抖动：SFP28光模块要求晶振具有低相位噪声和低抖动特性，典型的抖动值控制在1ps以内，以保证高速信号的完整性。例如FCom富士晶振系列——FCO-3P-UJ
• 温度稳定性：晶振需要在-40℃到85℃的温度范围内工作，确保在数据中心各种温度环境下保持频率稳定。
• 功耗和体积：由于SFP28光模块通常安装在密集的服务器机架中，晶振的封装尺寸和功耗要求较高，通常要求体积在3.2mm x 2.5mm以内，功耗不超过5mW。例如FCom富士晶振系列——FCO-3P-PJ

 

结论

光模块是AI智能设备中实现高速数据传输的关键组件，对晶振的频率、准确度、相位噪声、抖动和温度稳定性等有着高要求。通过QSFP28和SFP28光模块的具体例子可以看出，这些性能指标的优化直接影响光模块的整体性能和数据中心的运行效率。未来，随着AI和大数据技术的进一步发展，光模块的需求和性能要求将不断提高，相关技术也将不断进步。