适用于AI大模型产品的高速光模块主控MCU

【导读】AI大模型产品推动了数据中心的结构升级，数据存储和传输的需求相比以往倍速增长，数据中心的数据传输速率的要求也随着应用逐步升级。作为光通信产业链上的核心产品之一的光模块，尤其是高速光模块（100G、400G、800G等），其需求将在未来几年迎来暴增。工程师在进行选型设计时，需要综合考量各种因素并根据实际场景选择合适的光模块，快包分析师总结了8条光模块选型考量因素。同时，针对高速光模块应用推荐小华半导体HC32F472系列MCU。

方案：基于小华半导体HC32F472系列MCU的高速光模块应用方案

图1 100G及以上高速光模块应用框图

HC32F472是基于经小华高性能MCU长期验证与量产出货的40nm嵌入式闪存工艺，采用广泛易用的Arm Cortex-M4内核，并为小型化的光模块设计度身定制了BGA64 (4x4mm^2) 小封装。除了这些功能之外，HC32F472在算力、模拟外设（ADC、DAC、Vref、CMP）、PWM定时器、通信外设（IIC、MDIO）等规格方面做了专门的设计。

图2 HC32F472系列产品框图

具体功能与性能指标如下：

（1）120MHz主频的Arm Cortex-M4内核，集成FPU；

（2）512KB Dual-bank Flash，64KB+4KB SRAM，其中32KB SRAM具备ECC功能；

（3）3个12-bit 2.5MSPS ADC单元，多达29个采样通道；

（4）8通道12-bit DAC，单通道最大可驱动10mA；

（5）内置2.5V高精度Vref；

（6）4路电压比较器CMP；

（7）I/O独立供电（支持8个管脚1.2~3.6V独立供电）；

（8）I2C 通信速率高达1Mbps，支持BootLoader下载和热插拔；

（9）支持PLA和MDIO外设；

（10）具备复位保持功能：软件、WDT复位时，DAC和端口能实现输出保持；

（11）1.8 ~ 3.6V低电压供电；

（12）BGA64 (4x4mm^2)小封装，满足光模块应用。

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光模块是光纤通信系统的核心组件，选型需考虑光纤类型、传输距离、速率、波长和温度特性等，同时需符合相关认证和标准。综合考量各因素并根据实际场景选择合适的光模块，才能满足实际需求。

1、光纤类型

光模块可以通过单模光纤（SMF）或多模光纤（MMF）传输数据。单模光纤适用于长距离传输，而多模光纤则适合短距离传输。模块和光纤的类型必须匹配。

2、传输速率和距离

光模块的传输速率通常以Gbps（千兆比特每秒）计量，常见的有1G、10G、25G、40G和 100G等，需要根据网络的带宽需求选择合适的速率。此外，不同的光模块支持不同的传输距离，从几米到几公里不等，需根据链路长度来选择。

3、波长

不同波长的光模块用于不同的传输需求和网络环境。

● 850nm(MM，多模，成本低但传输距离短，一般只能传输500M)；

● 1310nm (SM，单模，传输过程中损耗大但色散小，一般用于40KM以内的传输)；

● 1550nm (SM，单模，传输过程中损耗小但色散大，一般用于40KM以上的长距离传输，最远可以无中继直接传输120KM)。

4、接口

光模块的接口类型需要与网络设备兼容，常见的有SFP, SFP+, QSFP, QSFP28, CFP等。确保模块可以物理安装到你的设备中。

5、具备DDM/DOM功能

DDM是数字诊断监控，其全称是Digital Diagnostic Monitoring。是光模块中使用的技术，以便用户能够监控光模块的实时参数。这些参数包括工作温度、工作电压、工作电流、发射和接收光功率等，还可以显示模块的出厂信息、提示告警/警告。

DOM是数字光学监控，其全称是Digital Optical Monitoring。它的功能跟DDM差不多，允许您实时监控光模块的各方面数据，例如光模块的发送和接收、输入和输出功率、温度、电压。网络管理员可以通过查看这些数据来确保光模块是否正常工作。一款模块经常同时支持这两个功能，为系统提供一种性能监测手段，可以帮助系统管理员预测模块的寿命、隔离系统故障、在现场安装中验证模块的兼容性。

6、兼容性

光模块一旦出现失灵很有可能造成巨大的网络故障。大型原始设备制造商在模块生产过程就应严格把控模块质量，进行真机测试等操作。确保收发器模块具有良好的质量、性能、兼容，避免网络中断，以节省时间和成本。此外，收发器还必须符合一些行业标准，例如MSA，IEC，ISO等。建议在光模块选型时向供应商询问相关法规。合格的光模块激光安全等级可以达到一级，这样在安装/拆卸时不会伤害眼睛。同时，为了不造成环境污染，光模块还应通过RoHS认证。

7、功耗

随着数据中心密度的增加，模块的功耗成为一个考虑因素。选择低功耗的模块可以帮助降低运营成本。

8、温度

光模块在工作的时候受温度的影响比较大，如果光模块的工作温度过高或者过低，一般会出现光功率会下降，灵敏度变低，眼图变差的情况，严重时会使得通信数据出现错误甚至导致光模块报废，所以一定要根据实际的使用环境来选择合适温度等级光模块。

（1）商用级温度（0-70℃）：应用在数据中心、企业机房 。因为数据中心、机房内部都会安装空调来维持室温

（2）扩展级温度（-20-85℃）：如果使用在热带地区的室外节点，可以考虑扩展温度的模块。

（3）工业级温度（-40-85℃）：用在户外、偏远山区、隧道等温度变化大的环境下，工业级光模块会导入温度补偿软件，其作用是用来保证光模块有稳定的工作电流供给，当温度发生改变时，温度补偿软件就会发生作用。