智能音箱背后的技术原理是什么

数智化时代，我们每天都在享受科技带给我们的便利。当你问家里的智能音箱“今天天气怎么样”时，智能音箱会立刻根据你的定位告诉你当天的天气状况。那么这背后的技术原理是什么呢？

实际上，我们发出的“指令”会以数据包的形式上传至互联网并进入全球的光纤网络中，再汇聚到覆盖数公里的众多数据中心之一，从而实现信息的接收、映射和转发。一个指令的数据包可能并不大，但假设一个城市甚至一个国家的人都在同时呼唤智能音箱，观看短视频，开zoom会议…那么这个数据量可想而知会有多庞大…

为了应对数智化时代人们所产生的庞大数据量，数据中心对数据网络和接口速度的要求也在不断提高，数据中心开发者希望能够在降低延迟和耗电量的基础上扩大信号的触达范围。长距离（Long-Reach， LR）连接对于日后的数据传输需求将会略显吃力，而极短距离（Very Short Reach， VSR）传输技术将是未来趋势。

为何要从长距离转为短距离？

连接性是指无缝连接系统的能力以及监控信息是否能在系统A与系统B之间良好传输的能力。连接性是一个标准化指标，与信号在通信信道上的通信距离有关，由信号的“触达范围”决定。信号的触达范围越广，耗电量就越大。

传统的长距离连接是通过铜来互连的，因为铜具有高导电性、延展性、耐热性和低成本等特点，在网络中的应用最广。未来几年，数据的传输速率将从每秒100GB增加到200GB，这种情况下再使用电铜互连并通过PCB接口将信号传输到交换机就会变得异常困难，而且有点不切实际。尽管在这种情况下依旧可以通过高质量等级电缆或有源电缆来实现，但这样不仅会大幅增加插入和功耗损失，机械问题也会进一步加剧，比如电缆刚性，由此将导致很难进入和靠近服务器机架的背面。

因此如果开发者希望交换机能够以更高的速度运行，则需使用更粗、更密的通道提高数据传输量，也就是短距离（VSR）连接。

推动VSR和光学器件

进入数据中心的趋势

相比铜互连，光互连借助光的力量可支持更快的数据传输、更高的带宽和速度、以及更低的延迟和功耗。数据中心向更高带宽和新架构的转变将会推动光纤传输链路进入更多数据中心和机架中。

在当下先进的数据生成和处理环境中，有三个基本的市场趋势驱动着这一转变：

数据中心的数据流量增加：仅数据中心的数据流量增长率就比整个互联网的数据流量增长率高5倍。根据Cisco全球云指数报告，此数据流量还将以30%的年均复合增长率稳步增长。要让所有数据在不同工艺节点之间高效传输，就必须在数据中心内，从服务器和机架到各个单独端口之间搭建更密集的互连。这种数据中心的内部流量需要“更宽”的数据通道，以便在更短距离可以传输更多数据，因此很多团队会倾向于使用光学器件而非传统铜互连。

通过网络扁平化实现低延迟：一个数据中心通常可容纳约100，000台服务器。为了让数据在每台服务器之间高效传输，互连网络在引导流量时需降低延迟。因此不能像传统架构一样让数据穿越多个层级。低延迟要求交换机或服务器的数量不超过三层，由此实现全网络的扁平化格局。由于服务器的数量庞大，所以网络交换机的尺寸也会变大，并且需要高带宽才能提高数据的传输速度，降低运行功耗，这就给交换机带来了更大的压力。

数据中心机架中同质资源的聚集：曾经有一段时间，数据中心被组织成超融合服务器，其基本构件（存储、计算和内存）被整合到一个盒子里，通过铜互连进行连接。如今，这种组织方式正在向同质化转变，这一趋势被称为服务器的分解。与超融合服务器相反，同质化资源具有共享和自适应的计算、内存和连接，可实现带宽控制。这样不仅能够实现平台灵活性，提高利用率，还利用了具有低延迟和低功耗特点的超密集光互连。

可插拔光学模块和

共封装光学器件

随着上述趋势推动多个光互连用例的发展，光学器件现在正向服务器和主机SoC靠拢（也称共封装光学器件）。但从实施角度来看，可插拔模块在当下可能更现实一些。

可插拔模块确实会带来电源问题，但这些问题可通过在主机SoC中加装低功耗SerDes作为有源铜缆中的重定时器来解决。通过加装重定时器，接口在VSR PHY标准上得到优化，用于其余的电气连接。这意味着团队可以降低功耗和面积，而不再需要一个拥堵的长距离接口。虽然重定时器存在于上一代交换机中，但在插入和通道覆盖方面仍有明显损失。此外，由于PCB或连接器中使用了铜信号线，所以需要在中间加装更多重定时器来补偿插入损失。

如果利用VSR连接，无需使用重定时器也能实现接口标准化。数据中心以降低功耗来提高数据中心网络交换机的带宽密度的前提正朝着共封装光学器件的方向发展，但是要广泛采用还需要几年时间。在此之前，光连接的方式依旧主要通过与VSR链路相连的可插拔光学模块来满足。利用这种可插拔模块，可以更轻松地升级网络基础设施，从而支持400G、800G以及1.6T的以太网。

VSR应用实例

我们以上图右上方所示的可拔插光学模块为例。数据通过光纤进入光学模块后会先转换为电信号，然后需要通过电信号向主机方向传输。这些光学模块体积小、结构紧凑，经常受到空间和功耗的限制，这意味着每个组件都需要节能。除了这些挑战，热力学极限也会受到影响。因为光学模块的尺寸有限，无法配置内部冷却机制，所以会导致模块过热。

这是VSR可发挥优势的一个关键领域。将互连从LR链路转换成VSR链路后，用户可节省大量功耗。当下，光学模块是VSR最重要的应用领域之一。

在光学模块的主机SoC端，情况有所不同。对于主机SoC端的交换机来说，VSR连接在克服面积和功耗瓶颈上至关重要。随着我们从25Tb一代交换机过渡至51Tb下一代交换机，LR互连在芯片中占据的面积会非常大，并且很快就会达到最高水平，所以制造过程的成本效益不高。

即使采用分割芯片和超短距离（XSR）互连等替代方案，系统的总功耗也相当大，并且会影响整体系统性能。因此，VSR将再一次发挥用武之地，通过低延迟、低功耗和高吞吐量，缩小芯片面积，并将功耗大幅降低50%。

通过完整的光学集成解决方案

为团队赋能

随着VSR市场不断发展，其功耗、性能和面积（PPA）优势受到业界关注，广泛的集成支持和生态系统互操作性成为关键。新思科技112G以太网PHY IP支持长、中、甚短和超短（LR、MR、VSR、XSR）电通道以及CEI-112G-线性和CEI-112G-XSR+光学接口。高能效PHY可提供出色的信号完整性能和抖动性能，超越IEEE 802.3ck和OIF标准电气规范的要求。

客户现在有了一个全面且合规的解决方案，该解决方案针对28GHz奈奎斯特频率下超过20dB的VSR通道进行了优化，并且考虑到了该行业在功耗或散热方面的系统瓶颈。鉴于性能是一个多维度挑战，我们会为芯片设计开发者定期提供集成、测试、验证和系统分析支持，以解决关键挑战，这些支持超越了我们所提供的IP范畴。

为实现与其它收发器的互操作性，新思科技还全面支持跨供应商验证，让客户在设计芯片时获得不同程度的自由度和信心。新思科技针对VSR开发的112G以太网PHY IP正在成为800G光学模块的理想解决方案。

随着工作负载需求和数据速率的不断提高，如果公司在云计算、电子商务和社交媒体等数据密集型领域蓬勃发展并建有自己的超大规模数据中心，则需要通过VSR连接来管理其数据流量的增长。毫无疑问，VSR连接不仅可以将可插拔市场的存续期延长五年，还能更好地利用我们现有的服务器。随着数据的生成量和处理量成倍增长，VSR是缓解当前铜互连挑战的理想之选，同时还可在交换机与服务器前面板之间提供可靠的电气接口。

审核编辑：彭静