MCU für optische Module ist bereits zu einem entscheidenden Element geworden

In letzter Zeit steht der MCU für optische Module im Fokus.

Preiserhöhungen sind das direkteste Signal. Seit Anfang dieses Jahres haben mehrere chinesische MCU-Hersteller Preiserhöhungsankündigungen herausgegeben. Die Preiserhöhungen im Kommunikationsbereich liegen im Allgemeinen zwischen 15 % und 20 %, und bei einigen speziellen Produkten beträgt die Erhöhung sogar über 50 %. Die Branche schätzt, dass sich der Gesamtpreis der chinesischen optischen Kommunikations-MCUs seit Anfang des Jahres um etwa 40 % erhöht hat.

Auch auf der Bestellseite ist die Reaktion deutlich. Viele ausländische AI-Stromversorgungs- und optische Kommunikationsunternehmen beginnen, in großem Umfang chinesische MCU-Chips zu kaufen, um den rasant wachsenden Bedarf an Rechenleistung und AI-Stromversorgungen zu decken.

Die Boomphase der AI-Rechenleistungskonstruktion hat die Auslieferung von AI-Servern erhöht, was zu einem Sprung in der Nachfrage nach optischen Modulen geführt hat. Dadurch ist der MCU, der als Zusatzteil benötigt wird, knapp geworden. Die führenden Hersteller haben als erste reagiert. GD32 hat einen speziellen MCU für optische Module entwickelt, der eine Vielzahl von Anwendungsfällen abdeckt, von traditionellen langsamen bis hin zu neuen schnellen optischen Modulen. National Technology hat den speziellen Hauptsteuer-MCU N32H493 für optische Module vorgestellt, der Eigenschaften wie Mehrspannungsanpassung, hohe Rechenleistung, schnelle Kommunikationsschnittstellen, hohe Leistung bei der Analogverarbeitung und industrietaugliche Zuverlässigkeit aufweist.

Was macht der MCU in einem optischen Modul?

Das optische Modul ist das Kernbauteil für die Umwandlung von optischen und elektrischen Signalen. Es hat die Aufgabe, elektrische Signale in optische Signale umzuwandeln und umgekehrt. Die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung wird von Bauteilen wie optischen Chips, Treibern (Driver), Transimpedanzverstärkern (TIA), digitalen Signalprozessoren (DSP)/Retimern und SerDes übernommen. Der MCU befindet sich nicht auf dem Hauptdatenübertragungsweg. Seine Aufgabe besteht in der Verwaltung des Modulzustands.

Diese Verwaltungsaufgabe umfasst hauptsächlich vier Kategorien:

Erstens, Überwachung. Der MCU muss Parameter wie Temperatur, Spannung, Laserverstimmstrom, emittierte Lichtleistung und empfangene Lichtleistung im Modul lesen und diese über die Verwaltungschnittstelle an den Host melden. Die meisten der im Netzwerkgerät angezeigten Parameter wie Temperatur, Tx/Rx-Leistung, Spannung und Strom des optischen Moduls stammen aus diesem Überwachungssystem.

Zweitens, Steuerung. Der MCU muss die Aktivierung des Lasers, das Abschalten der Emission, das Zurücksetzen, den Niedrigleistungsmode, die Stromversorgungssequenz und die Alarmausgabe steuern. Er muss auch über Peripheriegeräte wie ADC, DAC, Komparator, Operationsverstärker und PWM an Teilen der analogen Steuerung teilnehmen. In langsamen Modulen kann der MCU direkt an der Laserverstimmung und der Modulationsteuerung beteiligt sein. In schnellen Modulen ist er eher für die Konfiguration, Überwachung, Zustandswechsel und die Koordination mit peripheren Bauteilen zuständig.

Drittens, Protokoll. Zwischen dem Host und dem optischen Modul besteht nicht nur eine einfache Stromversorgungsbeziehung, sondern es gibt auch ein komplettes Verwaltungsprotokoll. Frühere Module basierten hauptsächlich auf Normen wie SFF - 8472 und SFF - 8636. Nach dem Eintritt der schnellen Module in die Ära von QSFP - DD und OSFP ist CMIS zur Schlüsselschnittstelle geworden. Das Modul muss dem Host seine Fähigkeiten, Geschwindigkeit, Anwendungsmodus, Leistungsaufnahme, Temperaturzustand, Linkzustand und Alarminformationen mitteilen. Die MCU - Firmware muss diese Protokolle und Zustandsmaschinen unterstützen.

Viertens, Wartung. Schnelle Module ähneln immer mehr online verwaltbaren Systemknoten. Firmware-Updates, Doppelbankkonfiguration, Fehlersanierung, Fehlerprotokolle, sicherer Start und Modulidentitätsüberprüfung werden zunehmend zu Kundenanforderungen. AI - Rechenzentren erfordern einen 7×24 - Stunden - Betrieb. Ein Modul darf nicht aufgrund eines fehlgeschlagenen Updates, eines anormalen Zustandswechsels oder einer Temperaturschwankung zu Linkproblemen führen.

Somit ist die Position des MCU für optische Module klar: Er ist der interne Verwaltungscontroller des Moduls und auch die Schnittstelle zwischen dem Modul und dem Hostsystem.

In der Zeit der langsamen optischen Module waren die technischen Anforderungen an den MCU relativ beherrschbar. In vielen Anwendungen reichen eine kleine Flash - Speicherkapazität, wenige ADC/DAC, I2C - Schnittstellen, Temperatursensoren und grundlegende DDM - Funktionen aus. Sowohl 8 - Bit - MCUs als auch niedrigwertige 32 - Bit - MCUs können einen Teil der Anforderungen abdecken.

Die schnellen Module haben dies geändert.

Erstens steigt die Komplexität der Firmware. 800G - und 1,6T - Module müssen komplexere Zustandsmaschinen, mehr Anwendungsmodi, strengere Host - Kompatibilität und private Befehle verschiedener Kunden unterstützen. Die Firmware ist nicht mehr nur eine einfache Registerkonfiguration, sondern eine vollständige Modulverwaltungssoftware. Die Flash - Kapazität, SRAM - Kapazität, Doppelbankkonfiguration, Online - Update und Lese/Schreib - Schutz werden zunehmend wichtig.

Zweitens werden die Anzahl der Schnittstellen und die Spannungsbereiche komplexer. In schnellen optischen Modulen gibt es mehr interne Bauteile. Der MCU muss mit Bauteilen wie DSP, Treiber, TIA, Stromversorgungschip, Temperatursensor, EEPROM und Flash kommunizieren. I2C bleibt die Basis, aber die Anforderungen an MDIO, SPI, I3C, 1,8V - I/O und mehrfache Busisolation nehmen zu. Insbesondere in hochdichten Modulen sind kleine Gehäuse und niedriger Stromverbrauch keine zusätzlichen Vorteile, sondern grundlegende Anforderungen.

Drittens steigen die Anforderungen an die analogen Peripheriegeräte. Bei der Bewertung eines MCU für optische Module darf man nicht nur auf den CPU - Kern und die Taktrate achten. Die Genauigkeit des ADC, die Stabilität des DAC, die Temperaturschwankung, die Referenzspannung, die Reaktion des Komparators, die Integration des Operationsverstärkers und das EMC - Verhalten beeinflussen die Konsistenz der Modulüberwachung und - steuerung. Schnelle Module haben einen hohen Stromverbrauch und eine hohe Wärmedichte. Die Temperaturschwankungen und die Schwankungen der Lichtleistung sind deutlicher, was höhere Anforderungen an die Abtastung, Kalibrierung und Kompensation stellt.

Viertens werden Zuverlässigkeit und Sicherheit zu Auswahlkriterien. Modulhersteller und Cloud - Anbieter interessieren sich nicht nur dafür, dass der Chip funktioniert, sondern auch für die Serienkonsistenz, die langfristige Stabilität, die Wartbarkeit der Firmware, die Fähigkeit zur Fehlersanierung und die Kontrollierbarkeit der Lieferkette. Sobald ein Modul in einem Rechenzentrum installiert ist, sind die Wartungskosten weit höher als der Preis des Chips selbst.

Darum entwickelt sich der MCU für optische Module von einer Anwendung des allgemeinen MCUs zu einer speziellen Kategorie des spezifischen MCUs.

Die MCUs, die in optischen Modulen eingesetzt werden, müssen strengeren Standards in Bezug auf Chipgröße, Integration von analogen Funktionen und Zuverlässigkeit entsprechen, um die Anforderungen an hohe Leistung und Zuverlässigkeit in optischen Kommunikationssystemen zu erfüllen. Dies sind relativ hohe Anforderungen im Bereich der MCUs. Es gibt nur wenige chinesische Hersteller, die in die Hauptsteuerung von 800G/1,6T - hochwertigen und schnellen optischen Modulen vordringen können.

Wer entwickelt MCUs für optische Module?

Das US - Unternehmen ADI hat zunächst die Standards für hohe Zuverlässigkeit von MCUs für optische Kommunikation definiert. ST hat dank langjähriger Tests die "hohe Zuverlässigkeit" mit geringeren Kosten erreicht.

ADIs MCUs für optische Module gehören zu den hochwertigsten auf dem Markt. Seit der Einrichtung der Geschäftseinheit für optische Kommunikation im Jahr 2005 hat das lokale chinesische Forschungsteam von ADI die gesamte Entwicklung von vier Generationen von Controllern für optische Module abgeschlossen. Die ersten drei Generationen mit etwa 20 Modellen haben eine jährliche Auslieferung von über 2 Millionen Stück.

Das Kernkompetenzfeld von ADI liegt in der hochpräzisen analogen Integration und dem extrem niedrigen Stromverbrauch. Seine Chips sind die Standard - Steuerungschips für 200G, 400G, 800G und höhere Geschwindigkeiten sowie für Silizium - optische Module. Die Controller für optische Module von ADI haben einen klaren vierstufigen Entwicklungspfad durchlaufen. Die vierte Generation, die ADuCM43x - Serie, wurde speziell für 200G, 400G, 800G DML/EML und Silizium - optische Module entwickelt. Sie integriert einen ARM Cortex - M3 - Kern und eine Vielzahl von Peripheriegeräten und ist derzeit das Star - Produkt auf dem Markt für optische Module in Rechenzentren.

Im Jahr 2024 wird ADI im Bereich der Rechenzentren vor allem die Kernprobleme der optischen Kommunikationstechnologie lösen. Es wird der Entwicklungstrend der optischen Module von 800G zu 1,6T, 3,2T und der Technologie der optoelektronischen Integration (CPO) folgen und sich auf das Gebiet der Steuerungsketten von optischen Modulen konzentrieren. Mit einer auf den chinesischen Markt abgestimmten Reaktionsgeschwindigkeit wird es den Kunden helfen, die Produktentwicklung und den Markteintritt zu beschleunigen.

STMicroelectronics hat keine speziellen Modelle für optische Module. Die STM32H5 - Serie ist jedoch aufgrund ihrer I3C - Schnittstelle, hohen Leistung und kleinen Gehäuse die Standardauswahl für Anwendungen in optischen Modulen. ST hat in der STM32H5 eine neue Kommunikationsschnittstelle, die I3C, eingeführt. Sie ist eine Weiterentwicklung der I2C - Schnittstelle, basiert ebenfalls auf den beiden Bussen SDA und SCL, hat jedoch eine höhere Leistung und ist mit I2C kompatibel. Die STM32H5 - Serie ist die erste auf dem Markt, die I3C - Peripheriegeräte integriert und mit der I3C Revision 1.1, Spezifikation 20 kompatibel ist. Dieser Vorsprung hat für ST die technische Grundlage auf dem hochwertigen Markt gelegt.

Bei den chinesischen Herstellern hat die Entwicklung von MCUs für optische Module bereits in verschiedene Ebenen gegliedert. Eine Gruppe von Herstellern sammelt Auslieferungen und Kunden in langsamen und mittelgeschwindigen Modulen. Eine andere Gruppe entwickelt spezielle Produkte für 800G/1,6T - Module, um in den Entwicklungsprozess von schnellen Modulen einzusteigen.

GD32 ist einer der chinesischen Hersteller, die am klarsten in die Entwicklung von MCUs für optische Module investieren. Die MCUs von GD32 haben einen hohen Marktanteil auf dem chinesischen Markt für optische Module. Die meisten Kunden in der Branche verwenden die GD32 - MCU - Produkte.

GD32 hat 2018 mit der Entwicklung von MCUs für optische Module begonnen und das erste spezielle Produkt vorgestellt. 2022 hat die kumulative Auslieferung seiner speziellen MCUs für optische Module die 10 - Millionen - Marke erreicht. Diese Erfahrung ist von entscheidender Bedeutung. Der Markt für MCUs für optische Module wird nicht nur durch die Spezifikationen gewonnen. Kundenüberprüfungen, Firmware - Anpassungen, Produktionsprüfung und Kalibrierung sowie die Behandlung von Ausnahmefällen werden zu technologischen Fähigkeiten.

In diesem Jahr hat GD32 die beiden Serien GD32E512 und GD32E252 vorgestellt. Die GD32E512 - Serie ist für schnelle optische Module konzipiert. Sie verwendet einen Arm Cortex - M33 - Kern mit einer maximalen Taktrate von 120 MHz, unterstützt I3C, bietet ein 3×3 mm - kleines Gehäuse und integriert mehrere I2C, MDIO, ADC, DAC, Komparatoren und Operationsverstärker. Die GD32E252 - Serie ist für langsame optische Module gedacht. Sie verwendet einen Cortex - M23 - Kern und zeichnet sich durch hohe Integration, niedrigen Stromverbrauch, breite Temperaturbereiche und gutes EMC - Verhalten aus. Im Bereich der optischen Module hat GD32 eine umfassende Produktpalette von langsamen bis schnellen Modulen. In den Aufzeichnungen von Investorenveranstaltungen hat GD32 angegeben, dass die MCUs auf dem chinesischen Markt für optische Module inzwischen weitgehend lokal produziert werden.

National Technology ist ein weiterer interessanter Hersteller von MCUs für optische Module. Die Firma hat die spezielle Mikrocontroller - Serie N32H493 für den Markt von 800G/1,6T - schnellen optischen Modulen entwickelt. Es ist das erste chinesische Produkt mit 1M Flash - Speicher und einer Doppelbank - Architektur. Die verschiedenen BGA - Gehäuse sind mit den ausländischen Standardlösungen kompatibel. Derzeit befindet sich das Produkt in der Markteinführungsphase und wird von Kunden getestet.

Für 1,6T und höhere Geschwindigkeiten, die höhere Sicherheitsanforderungen, stärkere Rechenleistung und ein umfassenderes Ökosystem erfordern, hat National Technology bereits die N32H5 - Serie geplant. Sie basiert auf einem ARM Cortex - M33 - Kern, hat 2MB Flash - Speicher und eine größere SRAM. Die neue I3C - Schnittstelle ist für die nächste Generation der Hochgeschwindigkeitsverbindung ausgelegt und kann mehrere Sensoren (Temperatur, Spannung, Lichtleistung) gleichzeitig anschließen. Sie bietet höhere Geschwindigkeit, weniger Anschlüsse und niedrigeren Stromverbrauch.

Anwendungsblockdiagramm von HC Semitek für 100G und höhere Geschwindigkeiten optische Module

HC Semiteks HC32F472 - Serie ist ein Hochleistungs - Allzweck - MCU, dessen Ressourcenkonfiguration für die Steuerungsanforderungen einiger schneller optischer Module geeignet ist. Die Serie verwendet einen Cortex - M4 - Kern, bietet ein BGA64 - kleines Gehäuse und integriert mehrere Kommunikationsschnittstellen, einschließlich I2C, SPI, QSPI und MDIO. Sie unterstützt auch Verschlüsselungsfunktionen wie AES, HASH und TRNG. Dies repräsentiert einen anderen Weg der chinesischen Hersteller: Die Verwendung einer Hochleistungs - Allzweck - MCU - Plattform für Anwend