لماذا أجهزة الإرسال والاستقبال باهظة الثمن؟

 

مشكلة الليزر

 

في قلب كل جهاز إرسال واستقبال ضوئي يوجد ليزر. ليس من النوع الذي تجده في مؤشر العرض التقديمي-فهذه أشعة ليزر شبه موصلة مصممة بدقة-ومبنية على مواد مركبة III-V مثل فوسفيد الإنديوم أو زرنيخيد الغاليوم. تتشابه عملية التصنيع مع تصنيع الطائرات أكثر من الإلكترونيات الاستهلاكية.

تهيمن أجهزة الليزر VCSEL (أشعة الليزر التي ينبعث منها سطح التجويف-الرأسي) على السوق متعدد الأوضاع-قصير المدى. إنها أرخص نسبيًا في الإنتاج-"نسبيًا" كونها كلمة المنطوق. لا تزال مجموعة VCSEL الفردية مقاس 850 نانومتر تتطلب عمليات نمو فوقي حيث يتم ترسيب الطبقات الذرية بدقة نانومترية. العوائد ليست كبيرة. الكثير مما يخرج من الرقاقة ينتهي به الأمر في سلة المهملات.

تتطلب التطبيقات ذات الوضع -المسافات الطويلة والفردية-مكونات DFB (ردود الفعل الموزعة) أو EML (ليزر مضمن بالامتصاص الكهربي). هذه هي الأماكن التي تتصاعد فيها التكاليف حقًا. يقوم EML بدمج الليزر والمغير على شريحة واحدة-أنيقة من الناحية النظرية، ومزعجة من الناحية العملية. حساسية درجة الحرارة، واستقرار الطول الموجي، ومواصفات نسبة الانقراض... التفاوتات الهندسية وحشية. لقد تحدثت إلى مهندسين رائعين يصفون معدلات الإنتاج بنغمات خافتة، كما لو أنهم يناقشون مأساة عائلية.

 

المحاذاة على حافة الفيزياء

 

إليك شيء لم تتم مناقشته بشكل كافٍ: إن اقتران الضوء الصادر من الليزر بالألياف أمر صعب حقًا. نحن نتحدث عن محاذاة شعاع إلى قلب من الألياف يبلغ قطره 9 ميكرون لتطبيقات الوضع الفردي-. وهذا يعادل تقريبًا-عُشر عرض شعرة الإنسان. تتطلب المحاذاة النشطة أثناء التصنيع ستة-أنظمة لتحديد المواقع للمحاور، ومراقبة الطاقة في الوقت الفعلي-، وإيبوكسيات قابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية- والتي يجب معالجتها دون تغيير أي شيء.

المعدات اللازمة لهذه العملية ليست رخيصة. ولا الوقت. قد تقضي كل وحدة إرسال واستقبال عدة دقائق في محطة المحاذاة، مع وجود فني أو نظام آلي يبحث عن الوضع الأمثل قبل تثبيت كل شيء في مكانه. قارن ذلك بتجميع PCB السطحي-، حيث يتم وضع المكونات بمعدل عشرات الآلاف في الساعة.

اتجهت بعض الشركات المصنعة نحو المحاذاة السلبية باستخدام ضوئيات السيليكون ومصفوفات العدسات المقولبة الدقيقة. إنه يساعد. ولكن التحدي الأساسي لا يزال قائما.

 

ضريبة DSP

يتم تصنيع شرائح DSP التي تتعامل مع هذا الأمر على -عقد معالجة متطورة. نحن نتحدث عن 7 نانومتر و5 نانومتر-وهي نفس التقنية المستخدمة في معالجات الهواتف الذكية ومسرعات الذكاء الاصطناعي. باستثناء أن الكميات أصغر حجمًا. تشحن Apple مئات الملايين من شرائح السلسلة A-. قد يقوم سوق أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسك بأكمله بنقل بضعة ملايين من أجهزة DSP في عام جيد. حسابات استهلاك التكلفة لا تعمل لصالح البصريات.

 

الختم المحكم وسبب أهميته

 

الثنائيات الليزرية تكره الرطوبة. بضعة أجزاء في المليون من بخار الماء داخل العبوة وأنت تنظر إلى تدهور الجوانب، وانجراف تيار العتبة، والفشل المبكر. تتطلب أجهزة الإرسال والاستقبال من فئة -الاتصالات إحكام إغلاق-الحزم المعدنية أو الخزفية مع موانع لحام أو موانع لحام تحافظ على الأجواء الداخلية لمدة 20+ سنة من النشر الميداني.

لقد خففت بصريات مركز البيانات هذا المطلب إلى حد ما. تعمل دورة التحديث لمدة 3-سنوات على تغيير حساب الموثوقية. لكن المعدات ذات الجودة الحاملة لا تزال تتطلب العلاج الكامل، وهذا العلاج مكلف.

 

سؤال سيسكو

 

لا تكتمل أي مناقشة حول أسعار أجهزة الإرسال والاستقبال دون معالجة المشكلة الأساسية: تقييد البائع-. باعت شركات Cisco وJuniper وArista وغيرها تاريخيًا أجهزة إرسال واستقبال "ذات علامة تجارية" بأسعار أعلى من-الوحدات النمطية المتوافقة مع جهات خارجية. قد يتم عرض 10GBASE-SR الذي يحمل علامة Cisco- بسعر 500 دولار. الوحدة المتوافقة وظيفيا متطابقة؟ 30 دولارًا على أمازون.

يتضمن التبرير الفني التحقق من صحة البرامج الثابتة، والاختبار الحراري في تكوينات محددة للهيكل، وضمان إمكانية التشغيل البيني. واقع الأعمال هو أن هذه الهوامش تدعم البحث والتطوير، وتدعم المنظمات، وعوائد المساهمين. يعتمد ما إذا كان عرض القيمة هذا منطقيًا بشكل كبير على قدرتك على تحمل المخاطر ومتطلبات عقد الدعم.

لقد أنشأ موردو أجهزة الإرسال والاستقبال التابعة لجهات خارجية، مثل Fiberstore وFlexoptix وغيرهما، أعمالًا تجارية كاملة على هذا التفاوت في الأسعار. إنهم مصدر من نفس ODMs-Foxconn، Luxshare، Eoptolink-يعيدون برمجة EEPROM باستخدام رموز البائع المناسبة، ويبيعون بجزء صغير من أسعار OEM. إنها تعمل. في الغالب. يتم تداول قصص الرعب حول البرامج الثابتة غير المتوافقة أو وحدات المواصفات-الخارجة بمهارة، على الرغم من مناقشة مدى تكرارها.

 

 

حقائق سلسلة التوريد

 

تتركز سلسلة توريد المكونات البصرية بشكل ملحوظ. يهيمن Lumentum وII-VI (الآن Coherent) على سوق الليزر. تتحكم Broadcom في حصة هائلة من مساحة TIA وIC الخاصة بالسائق. عندما يرتفع الطلب-كما حدث أثناء إنشاء مركز البيانات في عصر فيروس كورونا-ومرة أخرى مع ازدهار البنية التحتية للذكاء الاصطناعي-تمتد فترات الانتظار وترتفع الأسعار. لا يوجد حل سريع. لا يمكنك إنتاج مصنع جديد من فوسفيد الإنديوم خلال ستة أشهر.

وتضيف الجغرافيا السياسية طبقة أخرى. يتم إجراء جزء كبير من تجميع أجهزة الإرسال والاستقبال في الصين. وقد أدت التعريفات الجمركية، وضوابط التصدير، وضغوط تنويع سلسلة التوريد إلى ظهور تكاليف وشكوك جديدة تتدفق في النهاية إلى التسعير.

 

اختبار، اختبار، اختبار

 

يخضع كل جهاز إرسال واستقبال لاختبارات مكثفة قبل الشحن. قياسات معدل الخطأ في البتات، تحليل مخطط العين، التحقق من الطاقة البصرية، دورة درجة الحرارة. وتمثل معدات الاختبار وحدها-راسمات الذبذبات، ومحللات BERT، ومحللات الطيف البصري-نفقات رأسمالية بملايين الدولارات. يضيف الوقت المطلوب تكلفة العمالة المباشرة لكل وحدة. لا يوجد اختصار هنا لا يؤثر على الجودة.

 

قسط المسافة

 

تخلق مواصفات مسافة الإرسال مستويات أسعار مثيرة. قد تكلف وحدة 100G-SR4 للتشغيل المتعدد الأوضاع لمسافة 100-متر 150 دولارًا. 100G-LR4 لمسافة 10 كيلومترات في الوضع الفردي؟ ربما 800 دولار. ادفع لمسافة 40 كم أو 80 كم وستجد نفسك في أربعة أرقام بسهولة. يمكن أن تتجاوز بصريات ZR وZR+ القادرة على مئات الكيلومترات 15000 دولار.

الفيزياء تقود هذا. تتطلب المسافات الأطول قوة إطلاق أعلى، وحساسية أفضل لجهاز الاستقبال، وتحكمًا أكثر دقة في الطول الموجي، وغالبًا ما تكون تنسيقات تعديل أكثر تعقيدًا. يؤدي كل متطلب إلى تفاقم تكاليف المكونات وتعقيد التصنيع.

 

عندما يساعد الحجم أخيرًا

 

لقد غيرت Hyperscalers اللعبة إلى حد ما. عندما تطلب شركات مايكروسوفت، أو جوجل، أو أمازون أجهزة إرسال واستقبال بكميات تصل إلى مئات الآلاف، فإنهم يتفاوضون على الأسعار التي من شأنها أن تجعل المشترين من المؤسسات يبكون. يؤدي الجمع بين التزامات الحجم والعقود المتعددة-السنوات وعلاقات التصميم المباشر (ODM) إلى خفض التكاليف بشكل كبير. وتنتقل بعض هذه الفوائد في النهاية إلى السوق الأوسع مع نضوج عمليات التصنيع.

اتبع الانتقال من 10G إلى 25G إلى 100G هذا النمط. ما كان يبدو باهظ الثمن بشكل مستحيل أصبح أمرًا روتينيًا. 400G يسير على هذا المسار الآن. 800G سوف يتبعه. ولكن بالنسبة للمؤسسات التي تحتاج إلى-سرعات متطورة اليوم، تظل ضريبة المتبني المبكر-باهظة للغاية.

 

إذن، هل يستحقون ذلك؟

 

وهذا يعتمد كليا على السياق. عادة ما تتضاءل تكلفة جهاز الإرسال والاستقبال مقارنة بقيمة حركة المرور التي يحملها. تبدأ الوحدة النمطية التي تبلغ تكلفتها 2000 دولار والتي تتيح رابطًا بسرعة 400 جيجابت في الثانية تدعم خدمات توليد الإيرادات-في الظهور بشكل معقول في هذا الإطار. ربما تبلغ قيمة سوق أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية العالمية بأكملها 15 مليار دولار سنويًا-وهو رقم كبير، ولكنه خطأ تقريبي مقارنة بالنشاط الاقتصادي الذي يعتمد على الاتصال البصري.

ومع ذلك، غالبًا ما يبدو التسعير منفصلاً عن المفاهيم البديهية لتكلفة التصنيع. ينبع هذا الانفصال من كل ما تم وصفه أعلاه: المواد الغريبة، والعمليات الدقيقة، وسلاسل التوريد المركزة، والأحجام المحدودة، وتحديد المواقع الاستراتيجية للموردين. إنها ليست قصة بسيطة عن الجشع، على الرغم من أن الاستيلاء على الهامش يلعب دورًا بالتأكيد. إنه انعكاس للمشاكل التقنية الصعبة التي تواجه هياكل السوق التي لا تكافئ الكفاءة دائمًا.

في المرة القادمة التي ستتعجب فيها من عرض أسعار جهاز الإرسال والاستقبال، على الأقل ستعرف السبب.