新光传输技术方案 MOSAIC，打破光铜取舍困境
思瀚产业研究院    2025-08-22

Microsoft 研究团队和 Microsoft Azure 推出未来新的光传输方案 MOSAIC，它打破了光与铜的取舍困境，可同时实现长距传输、低功耗和高可靠性。MOSAIC 向后兼容现有标准链路形态（如可插拔 QSFP/OSFP）和电气主机接口（如 PCIe 或 VSR/MR），无需更改服务器或交换机即可直接替代现有光铜链路，并且已使用以太网和 InfiniBand 协议栈验证了原型机，并确认其与 NVink、CXL 等新型协议的兼容性。

随着主流互联带宽提升至 1.6 Tbps 及更高速率。展望未来，由于持续提升单通道带宽面临挑战，我们预计主流方案与 Mosaic 之间的绝对功耗差距将逐代扩大。领先制造商的初步数据显示 1.6T 每个收发器功耗为 23-25W，相比之下，Mosaic 可通过每代倍增通道数量实现更高传输速率，这将使单个收发器功耗降至 10.6 瓦。事实上，随着 Micro LED 技术进一步成熟，预期未来还能实现更低的功耗水平。

MOSAIC 无需任何硬件改动即可无缝替代现有光缆和铜缆。确保所有组件都能适配现有外形规格，并支持与当今网络链路相同的电气接口，从而完全兼容当前网络架构和硬件。铜缆和光缆均采用相同的标准可插拔连接器（如 QSFP、OSFP）和电气接口（如 PCIe、VSR/MR），这种设计确保了铜缆与光缆可混合部署的灵活性。

在 Mosaic 中采用了现有的铜缆和光缆类似的方法和标准，从而能够用 Mosaic 链路替代现有的光纤和铜缆链路，且无需对交换机或网络接口卡（NIC）进行任何修改。这为扩展到下一代网络速度提供了实用解决方案，同时保持与当前网络架构的完全兼容。

通过采用 Micro LED 作为光源，Mosaic 技术方案将解决当前光连接方案的痛点，为实现光学 WaS 解决方案提供了实用途径。

1、 首先，与铜线不同，Micro LED 采用光传输方式，消除了电磁干扰，使通道能够密集排布而互不干扰。

2、 其次，Micro LED 的工作电压仅需数百毫伏 ，比传统激光器低数个数量级，使得扩展至数百个通道也不会造成过高功耗。

3、 第三，单片集成的 Micro LED 阵列在 1mm*1mm die 中可容纳超过 400 个通道，结合Mosaic 紧凑型多芯成像光纤，能以简洁的封装设计实现超高密度解决方案。

最重要的是，与需要温控和主动波长稳定的激光器不同，Micro LED 本身就更坚固耐用，且得益于其阵列特性，可轻松添加冗余通道以进一步提升可靠性。

1. MOSAIC 设计方案与总体架构

Mosaic 采用 WaS 架构，即利用大量并行通道，每条通道以相对较低的 2Gbps 数据速率运行。采用 Micro LED 作为发射器，为实现 800Gbps 及更高速率扩展，可按目标链路速率与单通道速率的比值配置 Micro LED 数量（例如 800Gbps 链路需 400 个 Micro LED，以 20*20 的网格排列，单 LED 速率 2Gbps）。

为验证 Mosaic 的设计方案，微软团队构建了一个包含 100个通道的端到端原型系统，每个通道支持 2Gbps 传输速率。微软团队与 Micro LED 和 CMOS 供应商合作，定制生产了 10*10 阵列 Micro LED 及 CMOS 传感器晶片，并将其通过引线键合工艺装配至印刷电路板（PCB），该 Micro LED 器件除需独立控制每个像素外，与显示用 Micro LED 结构完全相同。接收端阵列方面，联合 CMOS 供应商制造了所示阵列。为提升耦合效率，公司专门定制了可插拔模块设计。

2. MOSAIC 性能评估

从性能评估结果来看， 原型已经验证了其在数据中心场景下的可行性。测试表明，MOSAIC 在 30 米传输距离内依然能够保持稳定的数据传输能力，这一距离远高于传统铜缆方案（通常 2 米以下）。当下因引线键合工艺、分立式电子与光学元件会造成通道数量和性能瓶颈，后续通过规避当前原型的限制，微软预计量产级可插拔模块将通过更紧密的光电集成与改进的 Micro LED 将进行改善。仿真数据表明 MOSAIC 可插拔模块应能在 50 米距离以上。

由于采用的是 Micro-LED 光源，而非激光器，兼具 10 倍于铜缆的传输距离和最高 68%能耗降低，以及于现有光链路 100 倍的可靠性优势。同时，通过直接调制的 Micro-LED 搭配低功耗模拟后端，整体链路的功耗相比传统光互连降低最高为 68%。在电子系统调制方面，在 Mosaic 中，微软利用低速信道特性大幅简化电子设计，实现超低功耗解决方案。

由于 MOSAIC 使用的是“多通道并行”的架构，带宽的提升几乎可以通过增加通道数的方式线性扩展。目前原型实现的是 800G，该架构能够继续扩展到 1.6T 和 3.2T；MOSAIC 链路的传输距离和可达速度由 Micro LED 与 CMOS 传感器的特性决定，其中噪声和色散是主要限制因素。

提升传输速度与距离需要同步改进 Micro LED 和 CMOS 传感器的性能。对于 Micro LED，制造商预期将在发光效率、方向性和光谱宽度方面实现优化；对于 CMOS传感器，与 CMOS 芯片（如跨阻放大器）更紧密的集成将显著提升链路灵敏度。同时，若采用 CPO 技术，MOSAIC 将获得更大收益：得益于芯片间互连的低数据速率特性，可直接驱动微 LED 调制，无需像现有技术那样进行高速转换。

3. MOSAIC 兼容光和铜的优势，有望打破既有互连的限制

MOSAIC 通过在保持铜缆级功耗与可靠性的前提下，将链路长度扩展至数十米，打破了既有互连的限制。由此，一些原本难以实现的网络架构成为可能：例如无需部署架顶交换机（ToR），服务器可直接连接行内或列尾交换机，既降低时延与硬件成本，又避免 ToR 带来的单点故障。相较之下，传统光互连因功耗、成本与可靠性代价较高，常常抵消这些收益。与此同时，MOSAIC 使全无阻塞拓扑更易落地，有望简化拥塞控制协议。

更长距离的链路还让多维环面、蜻蜓及超立方体等先进拓扑走向实用，摆脱短距铜缆与现有光方案高成本、复杂度的束缚。总体而言，MOSAIC 显著拓展了面向应用定制的网络设计空间。Mosaic 有意利用消费级领域的技术（如 Micro LED 和成像光纤）来实现实用化的 WaS 光链路并发挥其性能优势。为重新思考网络、GPU、内存和集群设计开辟了一系列前景广阔的机遇，但要实现这些愿景仍需大量工作来协同优化链路与系统架构技术，包括在封装工艺、部署方案、系统集成和大规模可靠性等多个领域取得进展。

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