每位工程师都知道运作需要消耗能量，即使是在移动讯息时，也必须有能量。过去几年我们一直处于讯息爆炸的时代，以难以想象的速度産生新讯息，而且往往是透过因特网来分享这些讯息。根据2010年思科视觉网络指针（Visual Networking Index，VNI）预测显示，全球因特网流量到2014年将会增加四倍以上，超过2009年每年的767 exabytes（EB），约爲Zettabyte的3/41。

这些数据十分惊人，讯息不仅在网络上传输，还储存在遍布世界各地需要电力的庞大系统当中。因此这对设计运算、通讯平台和系统的工程师来说代表什麽？这代表用更少的电力做更多的事情。

用更少做到更多

思科VNI预测报告中指出预计的数据将增长10倍，这已经在2008年的因特网上发生。如果像这份报告推断的每隔6年讯息量将增加10倍，那麽到2025年全球因特网每年的数据将达到超过700亿terabytes（TB）－相当于约7000亿片4层蓝光光盘！换个角度来看，如果把这些光盘堆栈起来的长度足足可以来回月球而且还绰绰有余，这是一个惊人的数据！

工程师们一直在寻找降低各种媒体上驱动讯息所需能量的方法。我们可以想想看，在1000公尺双绞线上负载10kbps的RS -485收发器链结每端大约消耗150 mW的功率。两端的能量总计达到了每位公尺30纳米焦耳（nJ/b‧m）。而在1000公尺长光纤链结上载负10G以太网络数据每端功耗大约爲1W，能量减少到了每位公尺200微微焦耳（pJ/b‧m），相同的距离每位功耗减少150倍。这仅包括收发器和媒体，而没有包括讯息的交换或处理，但问题在于现在移动每个位的能量正在不断下降，其速度超过了流量增加的速度。

这存在设备密度的问题。如果是以1Gbps交换数据的同一个1U系统，现在必须以10Gbps交换数据，在某些方面做出让步。在前面的实例中，移动单一位所需能量（规格化数）的功耗被降低了；然而在现实世界中并不是这样的情况。

如果交换器有16个采用光学模块的SFP+连接器，其每个功耗爲1W，那麽就会占用1U空间，无论交换器光纤设备和讯号调节器需要多少功耗（大约100W或以上），都要加上相关模块的16W功耗。如果设备升级到QSFP 40Gbps以太网络，那麽每个模块的功耗将大幅提升至近2W，交换器需要处理的每个端口信道有4倍之多（请见图一），这也增加了内部功耗。

《图一 10Gbps和40Gbps交换器》

爲了应对这种功耗的增加，工程师们在寻找低功耗CMOS制程来制造其交换器和处理设备。然而，上述设备仍然需要同样的物理尺寸（如果不太大）以容纳所有需要的连接器。随着制程尺寸的缩小，这些设备就必须要有直接驱动较高讯号电平的能力。

此外，用于连接器边缘扩展10Gbps物理层的低速XAUI互连已被淘汰，现在需要的是从PCB到连接器都可驱动10Gbps讯号的本地交换设备（图二）。在较低发射振幅与较高速度间，非定量性抖动需要在连接器上增加数据均衡器－复位时器－驱动器，以满足光学模块规范。

《图二 XAUI与本地模式10Gbps交换器互连的对比》

现在还不常见的是基础设施设备所散发的温度，已达到可能使移动电缆的技术人员被热表面灼伤的程度。风扇故障可能在几分钟内导致设备关机，而数据中心的整体电力需求越来越需要新的数据中心设在水力发电厂附近，爲的是确保充足的电力。

下一步进展

正如思科VNI预测，因特网的成长是不可阻挡的。工程师和系统架构师都在寻找尽量减少位移动所需电力的方法，同时，放置设备的机架要在一定程度上保持不变。一个互连长度短于15公尺的解决方案是采用「主动电缆」代替光学模块。这样可以减少5倍甚至更多的功耗（如SFP+光学模块与主动电缆对比）。数据中心营运商关注的焦点之一是设备冷却。主动电缆使用规格小很多的电线，可以提供更好的气流和弯曲半径。在主动电缆中，电子组件放置在连接器外壳之内，提供所需的均衡和驱动以克服组件中的损耗。

数据中心内的大多数互连机制都在15公尺以内（机架到机架等），所以主动电缆是降低功耗一个很好的选择。如美国国家半导体DS100BR111组件就是针对这类主动电缆应用的一个单芯片解决方案。

在5公尺长电缆的情况下，10Gbps光学互连将使用大约40 nJ/b‧m的能量，而采用DS100BR111的主动电缆只会消耗5.2 nJ/b‧m的能量，比起光学模块低了快8倍。如果乘上几千倍的电缆，所节省的能量消耗将十分显著。此外，也降低连接器的温度上升，还可以提升长期的可靠性，可靠性是温度的函数。

除了主动电缆外，新一代光学模块将采用25Gbps互连。它可以减少连接到交换结构的信道数量（从10个10Gbps信道到4个25Gbps的联机）。这不仅节省了连接器空间（QSFP与较大的CFP连接器），而且也无需使用10到4线在模块内部用来进行10Gbps至25Gbps升频（和降频）转换的「连接盒」（gear box），它本身就可以达到合适的25Gbps格式。

但是，在电路卡周围移动25Gpbs数据是非常艰巨的任务，较低发射振幅、有限驱动能力的小几何尺寸CMOS装置都需要在每个连接器上使用均衡器-复位时器-驱动器，以确保讯号的完整性并满足光学模块抖动规范。

讯号完整性装置增加的功耗可能抵消CMOS ASIC内部移动的物理层装置增益。25Gbps的世界已经不远，在2012年或2013年之前，大多数设备的要求还不会成爲主流，但需要有越来越多的制造商加快开发处理更高数据传输率所需的技术，以及可以改善物理信道讯号完整性的组件。像Molex等公司最近就在DesignCon 2011上展示了25G连接器，它是这些类型互连不可缺少的组件。

结论

当我们把世界推进到更快的数据传输速度时，传递每个位所消耗的能量实际上是在下降，但是每秒位数也在快速成长。到2014年（不会太远了），因特网上主导流量将是视讯的需求，而设计人员需要继续管理的不仅是传输设备，还包括处理、储存和交换系统消耗的实际功耗。

在思科的研究中，一般消费者不仅透过供货商（如Netflix和Hulu）驱动串流电影的负载，也分享他们手机拍摄的影片，现在还可以浏览网络。随着更多的国家爲人民提供这些服务，流量将继续的增加，而且年均复合增长率（CAGR）也将越来越高。

有人说，因特网是有史以来建造的最大的机器，它每天都在持续增长，所以在不久的将来我们会看到每位米毫微微焦耳（fJ/b‧m）的解决方案，爲的是跟上我们永无止境的讯息欲望。

---作者任职于德州仪器技术专家---