微软，颠覆光互连？

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AI数据中心的扩张，正在把一个过去不那么受关注的问题推到台前：算力越来越强之后，数据究竟该怎么传？

随着GPU集群规模不断扩大，GPU、CPU、内存和交换机之间需要交换的数据量越来越大。过去，行业主要通过提升单通道速率来满足带宽需求，从100G、200G一路发展到400G、800G，并继续向更高速率演进。但另一面也很明显，速率越高，高速信号处理和光电器件的功耗就越高，随之而来的还有散热、可靠性等问题。

微软在MOSAIC论文中将其概括为数据中心互连面临的“距离、功耗和可靠性”权衡。铜互连功耗较低、可靠性较高，但在高速传输下距离通常受到限制；光互连能够覆盖更长距离，却需要承担更高的功耗和复杂度。

AI数据中心让这一矛盾进一步放大。微软认为，如果继续沿着提高单通道速率的路线发展，网络本身可能逐渐成为限制AI集群扩展的瓶颈，类似于计算领域所说的“Memory Wall”。

于是，微软开始尝试另一条路线。

其提出的MOSAIC，不是简单替换传统光模块中的某一个器件，而是从光互连架构重新设计：用大量低速通道取代少量高速通道，用MicroLED取代通信激光器，再配合多芯成像光纤和低功耗电子电路，在降低功耗的同时，希望保留光互连的传输距离。

换一种方式做光互连

MOSAIC最核心的变化，是把传统光互连的“Narrow-and-Fast”思路，换成“Wide-and-Slow”。

当前高速光互连主要依靠少量高速串行通道来获得总带宽。例如，800Gbps光互连可以通过8条100Gbps通道实现。随着单通道速率不断提高，信号完整性、光器件以及高速电子电路都面临越来越大的压力，功耗也随之增加。

MOSAIC则反过来，通过增加通道数量来降低单通道速率。

微软论文中的原型采用2Gbps/通道，并完成了100个通道的端到端传输验证。在此基础上，微软进一步分析了利用400个2Gbps通道实现800Gbps聚合带宽的方案。也就是说，MOSAIC并不要求每一条通道都跑得很快，而是通过大量低速通道并行传输，获得所需要的总带宽。

但如果通道数量增加到数百个，传统通信激光器显然不是一个理想选择。

微软给出的答案是MicroLED。

MicroLED此前主要应用于显示领域，其尺寸可以做到微米级。与通信激光器相比，MicroLED不需要达到激光振荡的阈值，可以在较低功耗下工作。微软论文指出，相关MicroLED的单个器件功耗可以达到几百微瓦，而通信激光器通常需要几十到数百毫瓦。更重要的是，MicroLED适合进行阵列化设计，论文提出的20×20阵列可以在不到1平方毫米的面积内提供400个通道。

这让MOSAIC的大规模并行通道有了光源基础。

但几百个通道，也意味着一个新的问题：这些光信号如何传输？

MOSAIC采用的是多芯成像光纤。与传统单芯光纤不同，这类光纤内部包含大量独立纤芯，可以把多个并行光通道集中到一根光纤中。如果每个通道都使用独立光纤，不仅光纤数量会迅速增加，封装和成本也很难接受。微软因此选择通过成像光纤，将大量通道集中起来传输。

接收端则采用CMOS传感器。由于MicroLED工作在可见光波段，因此可以使用类似图像传感器的低成本CMOS器件完成光信号接收。

MOSAIC的另一项变化发生在电子电路上。

传统高速光互连需要DSP、ADC/DAC和CDR等电路，对高速信号进行处理、补偿和时钟恢复。MOSAIC由于将单通道速率降到较低水平，可以使用简单的ON-OFF NRZ调制和低速模拟均衡，取消复杂的DSP。同时，微软通过独立控制通道传输时钟，减少了接收端对CDR电路的需求。

所以，MOSAIC的低功耗并不是单纯来自MicroLED，而是整个架构共同作用的结果。

微软对800G链路进行了功耗分析。按照论文中的估算，传统光互连单端功耗约为9.8W—12W，而MOSAIC约为3.1W—5.3W，最高可降低约68%。其中，传统方案数字后端约3.5W的功耗，在MOSAIC架构下可以大幅减少。

大量通道还有一个附带优势：可以增加冗余。微软的设计允许加入备用通道，当某个MicroLED或其他通道出现故障时，可以通过其他通道继续工作。论文分析认为，在400个数据通道之外增加少量冗余通道，可以明显降低整个链路的失效率。

这也是微软认为MOSAIC有机会同时改善功耗、距离和可靠性的原因。

低功耗之外，

MOSAIC还有多少难题？

MOSAIC降低功耗的同时，也带来了一些传统光互连没有那么突出的新问题，其中首先是传输距离。

MicroLED虽然功耗较低，但其光学特性与通信激光器并不相同。微软论文指出，MicroLED发出的光束不像激光那样高度准直，因此光纤耦合本身就更困难。此外，MicroLED的光谱宽度也明显更大，光信号在光纤中的传输更容易受到色散影响。

这直接限制了MOSAIC的传输距离和单通道速率。

微软目前已经完成的100通道原型，在20米距离下实现了2Gbps/通道传输；当距离增加到30米时，单通道速率需要降至1.6Gbps。实验还显示，在1.3Gbps/通道及以下，20米范围内可以实现低于10^-12的误码率。

因此，50米、2Gbps/通道需要特别说明：它并不是当前原型已经完成的端到端实测结果，而是微软基于进一步优化给出的扩展目标和仿真结果。论文认为，未来经过光源、耦合以及相关设计优化后，可插拔模块有望在50米距离上实现2Gbps/通道传输。

第二个问题来自MOSAIC自身的核心思路——通道数量。

降低单通道速率意味着需要更多通道。按照2Gbps/通道计算，800Gbps需要400个通道；如果将单通道速率进一步降至1.3Gbps，则需要大约616个通道。

随着总带宽继续提高，MicroLED阵列、成像光纤、光学耦合和接收阵列都要跟着扩大。论文对这一问题进行了仿真：460通道可以用于构建800Gbps方案，进一步优化光源、光纤和探测阵列之后，通道数量还有继续增加的空间。

除了性能本身，产业化也是MOSAIC需要面对的问题。

从实验室原型走向数据中心产品，MicroLED阵列、成像光纤以及接收端的封装和制造都需要进一步验证。微软的设计思路之一，是尽量沿用现有的网络接口和基础设施。按照论文中的设计，MOSAIC可以采用现有QSFP、OSFP等标准接口以及现有电气接口，目标是作为现有铜缆和光缆的替代方案，而无需修改交换机或NIC。

而从微软后续对外披露的信息来看，这项技术已经开始向产品化推进。相关报道显示，微软已经与MediaTek等合作伙伴完成MOSAIC概念验证，并进一步将完整系统缩小到拇指大小的收发器形态。微软表示，希望在2027年末与产业合作伙伴推进商业化。

不过，从概念验证走向大规模部署，中间仍然有不少工作需要完成。

光互连，未必只有“更快”这一条路

过去多年，光互连的发展方向其实很明确：减少通道数量，提高单通道速率。

MOSAIC提出的却是另一种思路——降低单通道速率，再通过增加通道数量获得更高的聚合带宽。

这种“Wide-and-Slow”并不是微软凭空提出的概念。论文指出，在内存以及芯片内部互连中，大量低速并行通道本身就是降低功耗的一种方式。过去，这种思路很难直接搬到数据中心网络中，一方面是铜缆在高密度多通道条件下容易受到电磁干扰和串扰影响，另一方面，如果采用光互连，大量激光器又会带来功耗、成本和封装问题。

MicroLED提供了一个新的可能性：让数百个低速光通道以较低功耗集成在一起，再通过多芯成像光纤进行传输。

从微软的设计来看，这一架构并不局限于800G。论文提出，未来可以通过增加通道数量，或者同时提高单通道速率，将MOSAIC进一步扩展到1.6Tbps、3.2Tbps。例如，单通道速率提高到4—8Gbps之后，再配合更多通道，就可以获得更高的聚合带宽。

如果这一架构最终能够达到微软设想的性能，影响也可能超出光模块本身。

微软论文认为，低功耗、较长距离和高可靠性的互连，可以为数据中心网络拓扑带来新的选择。当前数据中心大量使用ToR交换机，其中一个原因就是铜缆的距离限制。如果低功耗光连接能够覆盖更长距离，服务器与更上层交换设备之间的连接方式就可能发生变化。

类似的思路也可以延伸到GPU和内存。微软论文讨论了利用MOSAIC连接多Die GPU，以及将计算和内存进行进一步解耦的可能性。不过，这些目前仍然属于论文提出的潜在应用方向，并非已经实现的产品。

眼下更现实的问题，还是MOSAIC能否从实验室走向数据中心。

目前，微软已经完成100通道、2Gbps/通道、20米的端到端原型验证，并展示了向800Gbps及更高聚合带宽扩展的方案。随后，微软又与合作伙伴完成了更小型化的收发器概念验证，并提出了2027年末推进商业化的目标。

对于光互连行业来说，MOSAIC真正值得关注的地方，也许并不是“MicroLED能不能替代激光器”。

过去，光互连不断追求更高的单通道速率、更复杂的信号处理和更强的光电器件，而微软现在尝试把思路倒过来：把单通道做慢，把通道数量做多，再用低功耗MicroLED和多芯成像光纤把这些通道组合起来。

对于AI数据中心来说，当带宽需求越来越高、互连功耗越来越难以忽视之后，光互连需要回答的问题或许也正在发生变化。

以前是“怎么跑得更快”，现在还需要考虑“怎么用更少的电，把数据传得更远”。

MOSAIC正在尝试回答的，正是后一个问题。

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