OCP EMEA 2025: FiberMall demonstriert steckbare optische 800G-Module mit Immersionskühlsystemen

Herkömmliche steckbare optische Module enthalten digitale Signalprozessoren (DSPs), die eine vollständige digitale Entzerrung sowohl elektrischer als auch optischer Signale durchführen. Da diese DSPs stromintensiv sind und über 40 % des Gesamtstromverbrauchs ausmachen, wurden bei Transceivern ab 800G Anstrengungen unternommen, den Stromverbrauch durch den vollständigen Verzicht auf den DSP zu senken. Der Linear Pluggable Optical (LPO)-Ansatz erzielt durch den Verzicht auf den DSP erhebliche Energieeinsparungen, während das Linear Hybrid Pluggable Optical (LRO)-Design, das nur einen Teil der DSP-Funktionalität beibehält, ebenfalls deutliche Stromverbrauchsreduzierungen bietet. Solche Verbesserungen dürften entscheidende Voraussetzungen für KI- und Machine-Learning-Anwendungen sein.

Der Verzicht auf den DSP in LPO-Modulen reduziert nicht nur den Stromverbrauch, sondern macht auch die Re-Timing-Funktion überflüssig. Einer der offensichtlichsten Vorteile ist die reduzierte Latenz – ein Vorteil, der insbesondere für Anwendungen der künstlichen Intelligenz von Vorteil ist. Darüber hinaus trägt die geringere Komponentenanzahl dazu bei, die Gesamtkosten des Moduls zu senken.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die höhere Zuverlässigkeit. DSPs erhöhen tendenziell die Betriebstemperatur anderer Komponenten im Modul, was sich negativ auf Zuverlässigkeit und Leistung auswirken kann. Im Gegensatz dazu arbeiten LPO-Module mit weniger aktiven Schaltkreisen bei niedrigeren Temperaturen. Aus MTBF-Sicht (Mean Time Between Failures) können Zuverlässigkeit und Leistung von LPO-Modulen bis zu dreimal höher sein als die ihrer mit DSPs ausgestatteten Gegenstücke. Testdaten von 64 Ports eines Switches mit der 800G DR8-Konfiguration zeigen beispielsweise, dass die Bitfehlerrate (BER) selbst beim Einsatz linearer optischer LPO-Module hervorragend bleibt.

Bei den optischen 800G 2*FR4 LPO-Modulen können die Module trotz des geringeren Datenvolumens Übertragungsdistanzen von bis zu 2 km erreichen und dabei immer noch eine sehr günstige BER-Leistung über kurze, mittlere und lange Kanäle aufrechterhalten.

Der Einsatz optischer LPO-Module trägt zur Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs des Systems bei. So ergaben Tests eines 800T-LPO-Switches im Vergleich zu aktuellen optischen 51.2G-DSP-Modulen eine Energieeinsparung von 700 W – oder 40 % – und ein 102.4T-LPO-Switch dürfte eine ähnliche Reduzierung von 40 % erreichen, was einer Einsparung von rund 1000 W entspricht. Diese Angaben zum Stromverbrauch stammen von Silicon Photonics.

FiberMall verglich den Stromverbrauch dreier Modultypen – LPO, LRO und DSP – sowohl für 800G DR8- als auch für 800G 2*FR4-Konfigurationen. Die DSP-Module verbrauchen 17.5 bzw. 17.1 pJ/Bit. Im Gegensatz dazu beträgt der Energieverbrauch der LPO-Module 9 bzw. 9.7 pJ/Bit, was einer Verbesserung der Energieeffizienz um etwa 50 % entspricht. Die LRO-Module, die ein Zwischendesign darstellen, verbrauchen 11.3 bzw. 11.9 pJ/Bit.

Weitere Belege für den reduzierten Stromverbrauch lieferten Tests, bei denen alle 64 optischen Module eines Switches gleichzeitig betrieben wurden. Unter identischen Bedingungen und bei verschiedenen Lüfterdrehzahlen (50 %, 75 % und 100 %) wurden Temperatur und Stromverbrauch gemessen. Ein mit DSP-Komponenten ausgestatteter Switch wies bei einer Betriebstemperatur von etwa 2000 °C einen Gesamtstromverbrauch von etwa 56 W auf, während ein Switch mit LPO-Komponenten bei Temperaturen um 1600 °C mit etwa 48 W lief. Zudem war die Durchschnittstemperatur der LPO-Module etwa 15 °C niedriger als die der DSP-Module, was darauf hindeutet, dass LPO-Module weniger Kühlleistung benötigen.

FiberMall verglich auch verschiedene Kühlmethoden. Im Vergleich zur Luftkühlung verbesserte die zweiphasige Immersionskühlung die Power Usage Effectiveness (PUE) deutlich und steigerte somit die Energieeffizienz. Daher wurden Tests mit Transceivern durchgeführt, die für die Immersionskühlung geeignet sind.

Auf der OFC2025 wurden Experimente mit dem DS5000-Switch von Celestica durchgeführt, der mit Loopback-Links konfiguriert war, um verschiedene Netzwerkszenarien zu etablieren. In einem Bild sind im oberen Teil des Wassertanks drei Module – LPO, LRO und DSP – von links nach rechts dargestellt.

Ein weiterer Vergleich der Immersionskühlungseffekte zwischen den Modulen zeigt, dass die Kühlflüssigkeit, deren Siedepunkt bei 50 °C liegt, die Temperatur des DSP-Moduls auf nahezu 50 °C ansteigen lässt. Dieser Anstieg führt zu sichtbarer Blasenbildung auf der Oberfläche des DSP-Transceivers. Solche Beobachtungen unterstreichen die hohe Designqualität vieler optischer Steckverbinderprodukte; Integratoren oder Kunden müssen lediglich kundenspezifische Glasfaserbrücken für die jeweilige Kühlflüssigkeit entwickeln. Diese Brücken stellen sicher, dass die Flüssigkeit nicht in den Transceiver eindringt, während gleichzeitig eine ausreichende Federkraft erhalten bleibt. Obwohl die Temperaturunterschiede zwischen den drei Modulen minimal sind, besteht eine Tendenz zu einer höheren Fehlerrate bei den DSP-Modulen. Bemerkenswerterweise wurde die Leistungsdemonstration auf Modulebene vom Transceiverhersteller durchgeführt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass linear steckbare optische (LPO) Module, die den DSP aus dem Transceiver eliminieren, gegenüber herkömmlichen DSP-basierten Modulen mehrere Vorteile bieten. Dazu gehören ein reduzierter Stromverbrauch auf Modul- und Systemebene, geringere Latenz, geringere Kosten und höhere Zuverlässigkeit. Die Demonstration des steckbaren optischen 800G-Moduls mit Immersionskühlung durch FiberMall zeigt eine deutliche Verbesserung der Energieeffizienz. Allerdings ist die Interoperabilität auf Systemebene bisher eingeschränkt, was den Bedarf an weiterer Forschung und Weiterentwicklung immersionsgekühlter optischer Module unterstreicht.