每位工程師都知道運作需要消耗能量，即使是在移動訊息時，也必須有能量。過去幾年我們一直處於訊息爆炸的時代，以難以想像的速度産生新訊息，而且往往是透過網際網路來分享這些訊息。根據2010年思科視覺網路指標（Visual Networking Index，VNI）預測顯示，全球網際網路流量到2014年將會增加四倍以上，超過2009年每年的767 exabytes（EB），約爲Zettabyte的3/41。

這些數據十分驚人，訊息不僅在網路上傳輸，還儲存在遍布世界各地需要電力的龐大系統當中。因此這對設計運算、通訊平台和系統的工程師來說代表什麽？這代表用更少的電力做更多的事情。

用更少做到更多

思科VNI預測報告中指出預計的數據將增長10倍，這已經在2008年的網際網路上發生。如果像這份報告推斷的每隔6年訊息量將增加10倍，那麽到2025年全球網際網路每年的數據將達到超過700億terabytes（TB）－相當於約7000億片4層藍光光碟！換個角度來看，如果把這些光碟堆疊起來的長度足足可以來回月球而且還綽綽有餘，這是一個驚人的數據！

工程師們一直在尋找降低各種媒體上驅動訊息所需能量的方法。我們可以想想看，在1000公尺雙絞線上負載10kbps的RS -485收發器鏈結每端大約消耗150 mW的功率。兩端的能量總計達到了每位元公尺30納米焦耳（nJ/b‧m）。而在1000公尺長光纖鏈結上載負10G乙太網路數據每端功耗大約爲1W，能量減少到了每位元公尺200微微焦耳（pJ/b‧m），相同的距離每位元功耗減少150倍。這僅包括收發器和媒體，而沒有包括訊息的交換或處理，但問題在於現在移動每個位元的能量正在不斷下降，其速度超過了流量增加的速度。

這存在設備密度的問題。如果是以1Gbps交換數據的同一個1U系統，現在必須以10Gbps交換數據，在某些方面做出讓步。在前面的實例中，移動單一位元所需能量（規格化數）的功耗被降低了；然而在現實世界中並不是這樣的情況。

如果交換器有16個採用光學模組的SFP+連接器，其每個功耗爲1W，那麽就會占用1U空間，無論交換器光纖設備和訊號調節器需要多少功耗（大約100W或以上），都要加上相關模組的16W功耗。如果設備升級到QSFP 40Gbps乙太網路，那麽每個模組的功耗將大幅提升至近2W，交換器需要處理的每個端口通道有4倍之多（請見圖一），這也增加了內部功耗。

《圖一 10Gbps和40Gbps交換器》

爲了應對這種功耗的增加，工程師們在尋找低功耗CMOS製程來製造其交換器和處理設備。然而，上述設備仍然需要同樣的物理尺寸（如果不太大）以容納所有需要的連接器。隨著製程尺寸的縮小，這些設備就必須要有直接驅動較高訊號電平的能力。

此外，用於連接器邊緣擴展10Gbps物理層的低速XAUI互連已被淘汰，現在需要的是從PCB到連接器都可驅動10Gbps訊號的本地交換設備（圖二）。在較低發射振幅與較高速度間，非定量性抖動需要在連接器上增加資料均衡器－重定時器－驅動器，以滿足光學模組規範。

《圖二 XAUI與本地模式10Gbps交換器互連的對比》

現在還不常見的是基礎設施設備所散發的溫度，已達到可能使移動電纜的技術人員被熱表面灼傷的程度。風扇故障可能在幾分鐘內導致設備關機，而資料中心的整體電力需求越來越需要新的數據中心設在水力發電廠附近，爲的是確保充足的電力。

下一步進展

正如思科VNI預測，網際網路的成長是不可阻擋的。工程師和系統架構師都在尋找儘量減少位元移動所需電力的方法，同時，放置設備的機架要在一定程度上保持不變。一個互連長度短於15公尺的解決方案是採用「主動電纜」代替光學模組。這樣可以減少5倍甚至更多的功耗（如SFP+光學模組與主動電纜對比）。資料中心營運商關注的焦點之一是設備冷却。主動電纜使用規格小很多的電線，可以提供更好的氣流和彎曲半徑。在主動電纜中，電子元件放置在連接器外殼之內，提供所需的均衡和驅動以克服組件中的損耗。

資料中心內的大多數互連機制都在15公尺以內（機架到機架等），所以主動電纜是降低功耗一個很好的選擇。如美國國家半導體DS100BR111元件就是針對這類主動電纜應用的一個單晶片解决方案。

在5公尺長電纜的情况下，10Gbps光學互連將使用大約40 nJ/b‧m的能量，而採用DS100BR111的主動電纜只會消耗5.2 nJ/b‧m的能量，比起光學模組低了快8倍。如果乘上幾千倍的電纜，所節省的能量消耗將十分顯著。此外，也降低連接器的溫度上升，還可以提升長期的可靠性，可靠性是溫度的函數。

除了主動電纜外，新一代光學模組將採用25Gbps互連。它可以減少連接到交換結構的通道數量（從10個10Gbps通道到4個25Gbps的連線）。這不僅節省了連接器空間（QSFP與較大的CFP連接器），而且也無需使用10到4線在模組內部用來進行10Gbps至25Gbps升頻（和降頻）轉換的「連接盒」（gear box），它本身就可以達到合適的25Gbps格式。

但是，在電路卡周圍移動25Gpbs數據是非常艱鉅的任務，較低發射振幅、有限驅動能力的小幾何尺寸CMOS裝置都需要在每個連接器上使用均衡器-重定時器-驅動器，以確保訊號的完整性並滿足光學模組抖動規範。

訊號完整性裝置增加的功耗可能抵消CMOS ASIC內部移動的物理層裝置增益。25Gbps的世界已經不遠，在2012年或2013年之前，大多數設備的要求還不會成爲主流，但需要有越來越多的製造商加快開發處理更高數據傳輸率所需的技術，以及可以改善物理通道訊號完整性的元件。像Molex等公司最近就在DesignCon 2011上展示了25G連接器，它是這些類型互連不可缺少的元件。

結論

當我們把世界推進到更快的數據傳輸速度時，傳遞每個位元所消耗的能量實際上是在下降，但是每秒位元數也在快速成長。到2014年（不會太遠了），網際網路上主導流量將是視訊的需求，而設計人員需要繼續管理的不僅是傳輸設備，還包括處理、儲存和交換系統消耗的實際功耗。

在思科的研究中，一般消費者不僅透過供應商（如Netflix和Hulu）驅動串流電影的負載，也分享他們手機拍攝的影片，現在還可以瀏覽網路。隨著更多的國家爲人民提供這些服務，流量將繼續的增加，而且年均複合增長率（CAGR）也將越來越高。

有人說，網際網路是有史以來建造的最大的機器，它每天都在持續增長，所以在不久的將來我們會看到每位元米毫微微焦耳（fJ/b‧m）的解決方案，爲的是跟上我們永無止境的訊息欲望。

---作者任職於德州儀器技術專家---