Волоконно-оптические модули производятся по всему миру

 

Реальность в Шэньчжэне, которую никто не представляет в презентациях на выставках

 

Прилетите в Шэньчжэнь Баоань, возьмите такси до Лунхуа или Даланга, и за сорок минут вы проедете больше заводов по производству оптических приемопередатчиков, чем существует во всей Европе вместе взятой. Плотность абсурдная. За одну поездку по поиску поставщиков я насчитал семнадцать отдельных производителей SFP в радиусе двух-километров от моего отеля. Семнадцать. Некоторые занимают целые индустриальные парки. Другие делят один этаж невзрачного здания с цехом литья под давлением и компанией, производящей светодиодные рождественские гирлянды.

Вот тут-то и происходит объем. Где-то от 60 до 70 процентов подключаемых оптических трансиверов в мире поставляются из провинции Гуандун. Точное число зависит от того, как вы считаете -готовые модули по сравнению с подсборками или наборами чистых компонентов-, но эта величина не является спорной.

Заводы варьируются от предприятий мирового-класса с чистыми помещениями класса 10К и автоматическими станками для склеивания штампов, до цехов, где я наблюдал, как рабочие вручную-устанавливали лазерные диоды с помощью пинцета под стереомикроскопом. Оба типа поставляют продукцию, которая проходит одинаковые тесты на соответствие. Разница проявляется через восемнадцать месяцев в частоте отказов на местах, но к тому времени модуль уже становится чьей-то проблемой.

 

Почему Япония все еще имеет большее значение, чем кто-либо признает

 

Вот что не учитывается в картах цепочек поставок: важнейшие составные полупроводниковые компоненты-фактические биты,-излучающие и обнаруживающие фотоны--по-прежнему поступают преимущественно из Японии.

Сумитомо Электрик. Митсубиси Электрик. Японские операции Lumentum. Фабрика Coherent Heritage II-VI в Тояме. Эти предприятия производят лазерные чипы DFB, передатчики EML и высокоскоростные-фотодиоды, которые китайские сборщики пока не могут воспроизвести с эквивалентным уровнем производительности. Неохлаждаемые EML-модули 1310 нм, работающие в модулях 400G-DR4 вашего гиперскейлера? В подавляющем большинстве японский кремний. Мощные-лазеры накачки в ваших EDFA? японский. Лавинные фотодиоды в вашем рефлектометре? японский.

Разрыв в материаловедении реален. Выращивание эпитаксиальных слоев фосфида индия с однородностью, необходимой для высокопроизводительных DFB-решеток, требует десятилетий институциональных знаний, которые не передаются через приобретенную интеллектуальную собственность или наемных инженеров. Рецепты реакторов MOCVD являются запатентованными, вплоть до скоростей газовых потоков и температурных профилей. Неявное знание живет в головах инженеров-технологов, которые используют одни и те же инструменты на протяжении двадцати лет.

Однажды я провел три дня на японской лазерной фабрике. Наблюдал, как техник отбраковал всю пластину, потому что спектр фотолюминесценции показал отклонение длины волны на 2 нм от цели. Два нанометра. Пластина, вероятно, позволила бы создать функциональные устройства. Но «функциональность» не была спецификацией- «в пределах спецификации при -40 градусах в течение 20 лет» была спецификация, и этот сдвиг на 2 нм предполагал, что в процессе роста что-то отклонилось.

Эту культуру не построить за пять лет.

 

Игра «Компонентная оболочка»

 

Проследите за деталями через оптический трансивер «Сделано в Китае», и вы получите урок географии.

Лазерные диоды: Япония, где растет конкуренция со стороны китайских отечественных поставщиков, таких как Accelink, за детали с более низкой-скоростью. Разрыв в производительности при 25G PAM4 и выше остается значительным.

Драйвер и интегральные схемы TIA: Тайвань доминирует благодаря смежным технологиям TSMC-фотоники и конструкторским бюро без фабрик в Синьчжу. Semtech, Macom и Broadcom — все на пленке. Китай уже десять лет пытается создать внутренние альтернативы, но безуспешно.-Само по себе инструменты EDA создают цепочки зависимостей.

Оптические изоляторы и циркуляторы: Сейчас в основном китайские. Casix, китайское подразделение Agiltron и дюжина более мелких игроков в Фучжоу, по сути, превратили эти компоненты в товар. Качество хорошее для передачи данных.

Волоконно-оптические блоки и наконечники: прецизионное японское производство по-прежнему обеспечивает жесткие-наконечники MT с жесткими допусками. Китайские поставщики используют стандартные разъемы LC/SC.

Керамические корпуса и дополнительные крепления: разделены между японскими специалистами, такими как Kyocera, и китайскими крупными производителями. Требования к терморегуляции для передатчиков большой-мощности по-прежнему отдают предпочтение японским источникам.

Печатные платы и гибкие схемы: Тайвань и материковый Китай, а также некоторые специальные-высокочастотные платы от японских поставщиков.

 

Тарифная борьба

 

Пошлины 2018 года изменили географию производства отрасли, и это происходит до сих пор.

До появления раздела 301 расчет был прост: производство в Китае по себестоимости, доставка по всему миру. Гиперскейлеры и предприятия покупали через дистрибуцию или напрямую, платили китайскую цену и не особо задумывались о стране происхождения.

Затем пошли пошлины в размере 25%. Внезапно каждому менеджеру по закупкам потребовалось понять разницу между кодами HTS, существенными правилами трансформации и тем, что именно представляет собой «производство» и «сборку» в глазах CBP.

Первой реакцией был хаос. Я знаю компании, которые буквально авиаперевозками-доставляли частично собранные модули в Мексику для окончательной комплектации, наклеивали на них этикетки «Собрано в Мексике» и надеялись, что исключение из тарифов сохранится. Некоторым это сошло с рук. Некоторые этого не сделали. Правоприменение было-и остаётся-непоследовательным.

Более опытные игроки установили фактическое присутствие производства в регионах,-привлекательных для тарифов. Вьетнам привлек значительные инвестиции. В Малайзии произошел небольшой перелив. Таиланд получил несколько операций. Innolight открыла завод в Тихуане. FS расширила мощности в Мексике.

Но вот о чем никто не говорит: цепочки поставок компонентов не изменились. Лазерные диоды по-прежнему поставляются из Японии. Микросхемы драйверов по-прежнему производятся на Тайване. Пассивная оптика по-прежнему поставляется из Китая. Выполнение окончательной сборки во Вьетнаме не устраняет влияние Китая-, а лишь добавляет логистические трудности и головную боль по соблюдению требований.

Гиперскейлеры научились с этим жить. У них есть команды по закупкам, которые только и делают, что управляют тарифными рисками. Мелкие покупатели оказались зажаты.

 

Что на самом деле происходит внутри чистой комнаты

 

Большая часть информации об оптических трансиверах, которую вы прочитаете, не касается фактического производственного процесса. На глянцевых видеороликах с экскурсиями по фабрике показаны роботы и блестящее оборудование. Реальность сложнее.

Соединение кристалла. Лазерный чип или чип VCSEL прикрепляется к вспомогательному креплению с помощью эвтектического припоя-обычно золотого-олова при температуре 280 градусов -или проводящей эпоксидной смолы. Точность размещения имеет значение. Для лазеров с краевым-излучением необходимо поперечное выравнивание в пределах нескольких микрон, чтобы попасть в сердцевину волокна. Для VCSEL, работающих с многомодовым волокном, допуски более жесткие, но вы размещаете несколько излучателей в массиве.

Я видел, как опытные операторы добивались-превышения доходности при склеивании штампов более 95 %. Я также наблюдал, как менее опытные операторы разрушали дорогие лазерные стержни, перегревая их во время оплавления. Разница заключается в прикосновении, распознавании образов, знании того, когда паяное соединение выглядит правильно, а когда что-то пошло не так.

Соединение проводов: золотые или алюминиевые провода соединяют кристалл с дорожками схемы. Для радиочастотных-критических соединений-высоко-скоростных путей прохождения сигнала от драйвера к модулятору-используется ленточное соединение для уменьшения индуктивности. Проводные облигации выглядят тривиально, но они являются основным ограничителем доходности. Одна загрязненная контактная площадка, одна неправильно расположенная петля, замыкающая следующую дорожку, и модуль не проходит финальное испытание.

Крепление волокна: попадание света от лазера в волокно требует точности выравнивания, граничащей с абсурдом. Системы активного выравнивания перемещают волокно в положение, обеспечивающее максимальную связанную мощность, а затем эпоксидная смола с УФ-отверждением замораживает все на месте. Эпоксидная смола немного усаживается во время отверждения. Хорошие инженеры-технологи это компенсируют. Плохие инженеры-технологи задаются вопросом, почему у них упала производительность.

Герметизация. Модули высокой-надежности герметизируются в сухом азоте в металлическом контейнере с окнами. Печать должна сохраняться в течение 20 лет в телекоммуникационной среде. Сварка швом или контактная сварка делают свою работу. Лазерная сварка быстрее, но приводит к термическому напряжению.

Каждый из этих шагов можно автоматизировать, полу-автоматизировать или выполнить вручную. Соответственно растут и затраты на оборудование. Полностью автоматизированная производственная линия 400G оценивается в восемь цифр. Линию с ручным управлением можно установить менее чем за 500 тысяч долларов. Оба производят рабочие модули. Разница проявляется в согласованности, пропускной способности и долгосрочной-надежности.

 

 

Тестирование — это то, где срезаются углы

 

Правильно протестированный оптический трансивер проходит через испытания:

Параметрическое тестирование при комнатной температуре: оптическая мощность, коэффициент затухания, чувствительность приемника, соответствие маске глазковой диаграммы. Это ставки за столом. Все это делают.

Циклическое изменение температуры: выполните те же тесты при -40 градусах, +85 градусах и в нескольких точках между ними. Именно здесь маргинальные единицы терпят неудачу. Пороговый ток лазера меняется с температурой. Термическое расширение вызывает нагрузку на соединения штампов. Чувствительность приемника ухудшается по мере увеличения темнового тока фотодиода.

Прожиг-: запускайте модули при повышенной температуре и непрерывном движении в течение 24, 48 или 168 часов в зависимости от требований заказчика. Сбои в детской смертности случаются в первые несколько сотен часов. Поймать их перед отправкой дешевле, чем поймать в дата-центре.

Вот в чем проблема: тестирование стоит денег и требует времени. Температурные камеры не бесплатны. Прожиг-занимает пространство. Каждый час, когда модуль находится в тестировании, — это час, когда он не поставляется.

Стремление сократить время испытаний остается постоянным. Модуль, которому требуется 168-часов работы-, но вместо этого он работает 24 часа, вероятно, будет работать нормально. Вероятно. Распределение отказов меняется-вместо того, чтобы выйти из строя на вашем заводе, незначительно дефектные устройства выходят из строя в стойке клиента три месяца спустя.

Я видел, как покрытие тестов различается на порядок у разных поставщиков, заявляющих об одинаковом уровне качества. В спецификации заказчика указано, что «требуется запись-». Там не сказано, как долго, при какой температуре или при какой схеме движения.

Спросите своего поставщика, как на самом деле выглядит его тестовое покрытие. Большинство не ответит честно. Обычно это те, у кого вы хотите купить.

 

Рынок совместимых модулей

 

Крупнейшие поставщики коммутаторов-Cisco, Arista, Juniper- взимают значительные надбавки за оптические модули своих фирменных товаров. Модель 100G-LR4 под брендом Cisco-может стоить 3500 долларов. «Совместимый» эквивалент от сборщика из Шэньчжэня стоит 300–600 долларов.

В модулях используются идентичные или почти-идентичные компоненты. Лазерные диоды поставляются теми же японскими поставщиками. Микросхемы драйверов представляют собой те же детали Semtech. Разница в том, что OEM-модуль прошел программу квалификации поставщика, а совместимый модуль — нет.

Некоторые совместимые модули работают безупречно годами. Некоторые терпят неудачу раздражающими, но управляемыми способами. Некоторые из них терпят неудачу, отключая производственную сеть в 2 часа ночи и создавая перемычку-между центром технической поддержки вашего поставщика коммутатора и торговым представителем вашего поставщика модулей.

Режим отказа, который я видел чаще всего: управление температурным режимом при постоянной работе с-широкой полосой пропускания. Модуль отлично работает в лаборатории. Первый месяц работы работает нормально. Затем наступает лето, в центре обработки данных становится на несколько градусов теплее, модуль нагревается на 3 градуса выше расчетного предела, и лазер преждевременно стареет.

Большую часть этого можно избежать, покупая продукцию у проверенных сторонних-поставщиков и проводя собственные квалификационные испытания. Экономия средств достигается за счет тысяч модулей. Но вам нужно действительно провести тестирование, а не просто предполагать, что технические характеристики говорят правду.

 

 

Кто, что и где производит: примерное руководство

 

Что 800G и CPO означают для географии

 

Переход на 800G меняет ситуацию. Плотность мощности увеличивается. Тепловые проблемы множатся. Сложность DSP возрастает.

При скорости 800G запасы целостности сигнала- очень малы. PAM4 со скоростью 100+ гигабод на полосу требует внедрения DSP, которое могут реализовать лишь немногие компании. Марвелл. Бродком. Кредо. Возможно, один или два китайских игрока в следующем поколении.

Вывод: 800G объединяет возможности проектирования в меньшем количестве рук, даже если сборка остается распределенной. Вы все еще можете создавать модули 800G в Шэньчжэне, но вы покупаете кремний у небольшой олигополии поставщиков.

Совместно-оптическая оптика выходит на новый уровень. Когда функция приемопередатчика интегрируется в пакет ASIC коммутатора, производство переключается с заводов по производству модулей на заводы по производству полупроводников. Узким местом становятся TSMC и Intel, а не индустриальный парк Лунхуа.

Это годы от основного развертывания. Но оно приближается. И это приведет к реструктуризации того, кто, что и где производит, способами, которые пока не очевидны.

 

Практические советы для людей, которые покупают эти вещи

 

Если вы развертываете тысячи модулей в год:

Квалифицировать нескольких поставщиков. Тарифная ситуация может измениться. Поставщики могут уйти с рынка. Риск из одного-источника реален, и в конечном итоге он вас настигнет.

Собственно тестируйте входящее качество. Не доверяйте только сертификату соответствия поставщика. Пропустите образец через собственную тестовую установку. Отслеживайте количество отказов по поставщикам, по коду даты и по партиям.

Поймите, откуда берутся компоненты. Ваш модуль,-произведенный в США, может содержать важные компоненты из Китая. Ваш модуль «-бесплатно для Китая» может быть не таким уж-бесплатным для Китая, как утверждает торговый представитель. Цепочки поставок непрозрачны, а стимулы скрывать происхождение значительны.

Если вы выполняете меньшую операцию:

Покупайте у проверенных сторонних-поставщиков с настоящими инженерными командами, а не у торговых компаний, которые на этой неделе проводят ребрендинг самых дешевых товаров. Разница в цене между хорошим и сомнительным составляет около 20%. Разница в надежности бесконечна, когда вы устраняете неполадки в линии связи в 3 часа ночи.

Для всех:

География производства имеет меньшее значение, чем качество производства. Хорошо-фабрика в Шэньчжэне производит модули лучше, чем плохо-фабрика в Америке. Судите о поставщиках по их процессам, охвату тестов и проценту неудач на местах,-а не по пометкам в их маркетинговых материалах.

Технология работает. Ежегодно поставляются миллиарды модулей, и подавляющее большинство из них работают точно так, как указано. Задача состоит в том, чтобы найти поставщиков, чье «точно так, как указано» включает в себя крайние случаи, с которыми в конечном итоге столкнется ваша сеть.