¿Cuáles son las diferencias entre CPO y LPO?

Los módulos ópticos tradicionales son independientes del ASIC de conmutación y están conectados a otros componentes electrónicos a través de cables de cobre o fibras ópticas. Este enfoque a menudo conduce a un consumo de energía significativo y a una pérdida de señal durante la transmisión de datos a alta velocidad. En particular, a medida que las velocidades de la red han progresado de 400G a 800G e incluso 1.6T, y se espera que alcancen los 3.2T en breve, el desafío del consumo de energía se ha vuelto más pronunciado.

El consumo de energía de los módulos SFP es de alrededor de 2 W, los módulos ópticos de 100 G suelen oscilar entre 1.5 W y 3 W. 400G QSFP-DD DR4 Los módulos ópticos se pueden controlar dentro de 12W, y los módulos ópticos de 800G varían de 12W a 16W.

A medida que aumentan las velocidades de datos, el consumo de energía de los módulos ópticos individuales ha aumentado linealmente, lo que lleva a un aumento significativo en el consumo de energía general del sistema.

Desde la perspectiva del empaquetado del dispositivo, cuando la velocidad de la señal se duplica de 56 Gbps a 112 Gbps, la pérdida de inserción de las trazas de PCB de baja pérdida, incluso con materiales de PCB avanzados, también se duplicará aproximadamente para una longitud de traza determinada.

Generalmente, cuanto más corto sea el canal eléctrico y menos conversiones intermedias (vías, conectores), más fácil será gestionar los problemas de integridad de la señal. Esto ha impulsado la tendencia de integrar dispositivos ópticos más cerca del ASIC, lo que puede reducir efectivamente el consumo de energía.

Sobre la base de este principio han surgido dos soluciones principales:

• Óptica empaquetada (CPO): Los componentes ópticos y eléctricos están empaquetados conjuntamente.
• Linear Photonic Optical (LPO): Módulos conectables con controladores ópticos lineales.

La evolución de módulos enchufables a CPO y LPO se ilustra en el diagrama.

¿Qué es la óptica co-empaquetada (CPO)?

Como se mencionó anteriormente, los módulos ópticos tradicionales son independientes del ASIC de conmutación y están conectados a otros componentes electrónicos a través de cables de cobre o fibras ópticas. Este enfoque a menudo conduce a un consumo de energía significativo y a una pérdida de señal durante la transmisión de datos a alta velocidad.

CPO es una solución para abordar este problema. Al empaquetar estrechamente el módulo óptico y el ASIC de conmutación, se puede reducir considerablemente la distancia para la conversión de señales entre los dominios eléctrico y óptico, así como la distancia de transmisión. Esto puede reducir significativamente el consumo de energía, mejorar la integridad de la señal y reducir la latencia, al mismo tiempo que reduce el espacio total.

El siguiente diagrama ilustra la evolución desde los DAC tradicionales basados ​​en cobre y los dispositivos ópticos conectables hasta los dispositivos ópticos integrados en 3D en CPO.

Como puede ver en el diagrama anterior, no es un proceso de un solo paso cuando se trata de cómo minimizar la distancia lineal de la conexión, comenzando con la óptica de paquete cercano NPO y luego CPO.

NPO desacopla el motor óptico del chip del interruptor y luego los ensambla en la misma placa del sistema.

CPO, por otro lado, ensambla directamente el chip de conmutación y el motor óptico en una ranura, realizando el empaquetado conjunto del chip y el módulo.

En comparación con NPO, el módulo de CPO está más cerca del ASIC host, lo que permite una menor pérdida de canal y consumo de energía.

Actualmente, existen tres etapas de empaquetado de CPO (Chip-Photonics Optics):

CPO tipo A (correspondiente a la 4ta etapa de arriba a abajo en la Figura 3 – CPO 2.5D)

CPO tipo B (correspondiente a la quinta etapa de arriba a abajo en la Figura 5 – CPO Chiplet 3D)

CPO tipo C (correspondiente a la sexta etapa de arriba a abajo en la Figura 6 – CPO 3D)

Del tipo A al tipo C, la característica clave es que el motor óptico y el interruptor ASIC están cada vez más cerca uno del otro.

En la OFC de este año, importantes empresas como Intel y Cisco presentaron productos CPO de tipo A. El CPO tipo A se caracteriza porque el chip y el módulo óptico son componentes completamente estandarizados e independientes, empaquetados conjuntamente en un sustrato de PCB. La distancia entre el motor óptico y el chip es de 10 cm y se elimina el oDSP.

En la OFC, Broadcom exhibió su conmutador Bailly 51.2T que utiliza la solución CPO tipo B, con 8 motores ópticos Bailly SCIP 6.4T-FR4 y conectores de fibra Broadcom (BFC). La diferencia con el CPO tipo A no es significativa: el ASIC y el módulo óptico todavía están relativamente desacoplados, pero se introduce tecnología de empaquetado a nivel de oblea para acercar los dos componentes, con una distancia de solo unos pocos centímetros.

El empaque CPO 3D tipo C es la forma definitiva de CPO, ya que realmente integra el chip fotónico de silicio con otros troqueles desnudos (como GPU, Lanswitch, HBM, etc.) en un solo paquete grande.

Uno de los objetivos de CPO es reducir el consumo de energía. Como se muestra en la Figura 2, el consumo de energía de un módulo óptico 400G ZR se concentra principalmente en el DSP. Entonces, ya sea CPO o LPO, que se analiza más adelante, el diseño central es eliminar el DSP.

Sin embargo, no podemos decir que CPO no tenga DSP. Para realizar modulación/demodulación, codificación/decodificación y compensación de señal de alta velocidad, CPO aún necesita integrar la funcionalidad DSP o trabajar estrechamente con un chip con capacidades DSP. En la solución CPO, el DSP está directamente integrado en un chip dentro del paquete o bien conectado estrechamente a través de una conexión extremadamente compacta y eficiente para lograr las funciones de procesamiento de señales requeridas.

¿Qué es la tecnología LPO?

LPO, o óptica enchufable de unidad lineal, es una tecnología de empaquetado de módulos ópticos. Ya sea CPO o LPO, uno de los principales objetivos en comparación con los módulos ópticos tradicionales es reducir el consumo de energía, y el consumo de energía del DSP es el más alto de todo el módulo.

Para LPO, la característica clave es la eliminación del DSP. El enlace de datos sólo utiliza componentes analógicos lineales, sin ningún diseño CDR o DSP. Reemplaza el DSP con un chip amplificador de transimpedancia (TIA) y controlador (DRIVER) que tienen alta linealidad y capacidades de ecualización.

El ODCC publicó un documento técnico sobre aplicaciones de módulos ópticos LPO de 112G en 2023. El diseño del módulo LPO es el siguiente:

• Elimina los componentes del temporizador CDR/oDSP.
• Utiliza chips TIA y DRIVER con mejor rendimiento y mayores capacidades de compensación SI
• Integra algunas funciones de compensación en el chip ASIC del dispositivo de red.
• La regeneración de señal y la compensación de señal digital realizadas originalmente por el oDSP ahora se dividen entre el dispositivo de red ASIC, DRIVER y TIA.

En términos de interfaces, LPO no tiene requisitos para el empaquetado del módulo, ya sea QSFP, QSFP-DD, OSFP, OSFPXD u otros, se pueden implementar soluciones LPO.

En la industria, las empresas de chips que son relativamente débiles en DSP, como Macom, Semtech y Maxlinear, están promoviendo activamente LPO. La razón principal es que esperan superar las deficiencias del DSP mediante la solución LPO. Actualmente, la estandarización de la solución LPO aún no está madura, involucrando principalmente la interfaz eléctrica y la interfaz óptica.

La interfaz eléctrica es principalmente el protocolo CEI-112G-Linear-PAM4 de OIF. Desde la última actualización de abril de 2024, el estándar CEI-112G-Linear-PAM4 ha logrado un progreso sustancial y ha sido adoptado e implementado por la industria, y empresas como Hisense ya han lanzado cables ópticos de interconexión lineal de 800G basados ​​en este estándar.

Para la interfaz óptica, los protocolos de la serie IEEE802.3 son estándares maduros y ampliamente utilizados, y todos los módulos ópticos enchufables de tipo retemporizador deben cumplir con estos protocolos. Si LPO puede cumplir con los protocolos 802.3, podrá lograr una verdadera “interoperabilidad” en el sentido más amplio.

Las diferencias entre CPO y LPO

Tanto el CPO como el LPO se encuentran en continuo desarrollo. Los encapsulados CPO y LPO tienen sus propias características y ventajas. La tecnología de encapsulado CPO se centra en el encapsulado óptico-eléctrico integrado, adecuado para escenarios de interconexión de alta velocidad y alta densidad, mientras que la tecnología de encapsulado LPO se centra en la conectabilidad y la rentabilidad, adecuada para escenarios de transmisión de corta distancia. En el marco del CPO, si el equipo del sistema falla, es necesario apagar la energía y reemplazar toda la placa, lo que resulta bastante inconveniente para las tareas de mantenimiento.

En comparación, la capacidad de conexión de los módulos ópticos LPO permite un reemplazo eficiente sin apagar todo el sistema, lo que mejora aún más la conveniencia general de la solución LPO y simplifica el cableado de fibra y el mantenimiento del equipo.

En general, LPO es un camino evolutivo para módulos ópticos enchufables, más fácil de implementar y con más certeza en comparación con la solución CPO.

Sin embargo, según algunos expertos, la tecnología LPO introduce importantes desafíos de diseño para el canal eléctrico en el lado del sistema. La especificación principal actual de SerDes es 112G, que pronto se actualizará a 224G. Los expertos creen que es posible que la tecnología LPO no pueda cumplir con los requisitos de 224G SerDes.