¿Qué es el módulo transceptor óptico LPO?

En los últimos años, la industria de las comunicaciones ópticas se ha desarrollado rápidamente. Impulsada por el 5G y la IA, la tecnología de comunicación óptica ha logrado grandes avances y la infraestructura óptica también ha dado un salto cualitativo. Especialmente este año, el modelo grande AIGC se hizo popular y aumentó la computación inteligente y la supercomputación, lo que condujo a una nueva ola de auge del desarrollo de las comunicaciones ópticas. La red troncal 400G está a punto de implementarse por completo, y los centros de datos 800G y 1.6T también están ansiosos por probarlo.

Los desafíos de la evolución de las comunicaciones ópticas

De hecho, la iteración tecnológica de la comunicación óptica no es una simple duplicación de números.

Después de ingresar a la etapa de 400G, tenemos que resolver no solo la mejora de la velocidad sino también los problemas de consumo de energía y costos que trae consigo la alta velocidad. La mejora de la velocidad es como la entrega en camión. Cuando la carga se vuelve cada vez más pesada, es necesario actualizar el motor. Cuanto mayor sea la cilindrada del motor, mayor será el consumo de combustible y también aumentará el precio del motor y el coste del combustible.

Tomemos como ejemplo los módulos ópticos.

Como dispositivo clave de las redes ópticas y dispositivo más utilizado, los módulos ópticos siempre han sido el foco de atención de la industria. Su consumo energético y precio están estrechamente relacionados con la intención de compra del usuario.

En 2007, un módulo óptico de 10 Gigabit (10 Gbps) tenía sólo aproximadamente 1 W de potencia.

Con 40G, 100G, 400G y 800G, el consumo de energía de los módulos ópticos se ha disparado, alcanzando los 30W.

Es importante tener en cuenta que un conmutador puede tener más de un módulo óptico. Si está completamente cargado, suele haber decenas de módulos ópticos (si hay 48, es 48×30=1440W).

En términos generales, el consumo de energía de los módulos ópticos representa aproximadamente el 40% o más del consumo de energía de toda la máquina. Esto significa que es muy probable que el consumo de energía de toda la máquina supere los 3000W.

El aumento en el consumo de energía de los equipos de comunicación óptica también ejerce una enorme presión sobre el consumo de energía y el costo de todo el centro de datos, lo que es muy perjudicial para los objetivos de alcanzar el pico de carbono y la neutralidad de carbono de las redes de comunicación.

En comparación con 2010, el consumo de energía de los dispositivos ópticos se multiplicará por 26.

Para resolver el problema del consumo de energía provocado por el aumento de la tasa de comunicación óptica, la industria ha llevado a cabo mucha exploración técnica.

CPO, que fue popular el año pasado, es una de las soluciones. Este año, además de Etiqueta CPO, la industria ha presentado un nuevo programa: LPO.

¿Qué es la LPO?

LPO, el nombre completo del inglés se llama Linear-drive Pluggable Optics.

Como puede ver por el nombre, es una tecnología de empaquetado de módulos ópticos.

Como se muestra en la figura siguiente, hay puertos de módulo óptico en el conmutador, inserte el módulo óptico correspondiente en él y luego podrá conectar la fibra. Si está roto también se puede sustituir.

LPO enfatiza "conectable" para distinguirlo de la solución CPO, en la que los módulos ópticos no son enchufables. El módulo óptico (motor óptico) se acerca al chip de conmutación y se "vincula" directamente a él.

La diferencia clave entre los LPO y los módulos ópticos tradicionales es la unidad lineal.

La llamada "unidad lineal" significa que el LPO adopta tecnología de unidad directa lineal y el chip DSP (procesamiento de señal digital) / CDR (recuperación de datos de reloj) se cancela en el módulo óptico.

Entonces, ¿qué es el accionamiento lineal directo, cuál es la función del DSP y por qué se puede eliminar? ¿Por qué se puede cancelar? ¿Cuál es el impacto de la eliminación?

Comencemos con la arquitectura básica del módulo óptico.

Transmisión del módulo óptico, es decir, el proceso de señales eléctricas en señales ópticas, señales ópticas en señales eléctricas.

En el extremo transmisor, la señal pasa por un convertidor de digital a analógico (DAC), que la convierte de una señal digital a una señal analógica. En el extremo receptor, la señal analógica pasa por una conversión de analógico a digital (ADC) y vuelve a ser digital.

Después de una operación, la señal digital obtenida es un poco confusa y distorsionada. En este momento, surge la necesidad de DSP, la “reparación” de la señal digital.

DSP es un chip que ejecuta algoritmos. Tiene una función de recuperación de reloj digital y una función de compensación de dispersión (para eliminar ruido, interferencias no lineales y otros factores), puede combatir y compensar la distorsión y reducir la distorsión en el impacto BER del sistema.

(Nota: DSP no está disponible en todos los módulos ópticos tradicionales. Sin embargo, en los módulos ópticos de alta velocidad, los requisitos de señal son altos, por lo que básicamente se necesita DSP).

Además del DSP, los principales chips eléctricos de los módulos ópticos incluyen un controlador láser (LDD), un amplificador de transimpedancia (TIA), un amplificador limitador (LA) y un chip de recuperación de datos y reloj (CDR).

CDR también se utiliza para la restauración de datos. Extrae la secuencia de datos de la señal recibida y recupera la señal de temporización del reloj correspondiente a la secuencia de datos, restaurando así la información específica recibida.

DSP es muy poderoso. Sin embargo, también tiene un alto consumo de energía y costo.

Por ejemplo, en el Módulo óptico 400GEn el DSP de 7 nm utilizado, el consumo de energía es de aproximadamente 4 W, lo que representa aproximadamente el 50% del consumo de energía de todo el módulo.

Desde una perspectiva de costos, el costo de la lista de materiales (BOM) del DSP en un módulo óptico de 400G representa alrededor del 20-40%.

La solución LPO consiste en sacar el chip DSP/CDR del módulo óptico e integrar las funciones relacionadas en el chip de conmutación del lado del dispositivo.

En el módulo óptico solo quedan el Driver (Driver Chip) y TIA (Amplificador de Trans-Impedancia) con alta linealidad, y las funciones CTLE (Continuous Time Linear Equalization) y EQ (Equalization, Equalization) están integradas, respectivamente, para compensar alta -Acelerar las señales hasta cierto punto. Las funciones de ecualización) están integradas para compensar las señales de alta velocidad hasta cierto punto.

Las ventajas de la LPO

Las ventajas de los LPO se resumen en bajo consumo de energía, bajo costo, baja latencia y fácil mantenimiento.

Bajo Consumo De Energía

Sin DSP, el consumo de energía seguramente disminuirá.

Según los datos de Macom, el consumo de energía de un módulo óptico multimodo de 800G con función DSP puede superar los 13W, mientras que el consumo de energía de un 800G El módulo óptico multimodo que utiliza la tecnología MACOM PURE DRIVE es inferior a 4W.

Bajo costo

Esto es evidente. Como se mencionó anteriormente, el costo de la lista de materiales de DSP representa aproximadamente entre el 20% y el 40%, que se elimina. El controlador y el TIA integran EQ, lo que aumenta ligeramente el costo, pero el costo general aún se reduce. Según el análisis de la industria: en un módulo óptico de 800G, el costo de la lista de materiales es de aproximadamente 600 a 700 dólares estadounidenses y el costo del chip DSP es de aproximadamente 50 a 70 dólares estadounidenses. El controlador y el TIA integran la funcionalidad EQ, lo que aumenta el costo entre 3 y 5 dólares estadounidenses. Calculado de esta manera, el coste total del sistema se puede reducir en aproximadamente un 8%, entre 50 y 60 dólares estadounidenses. Vale la pena mencionar que DSP también es una tecnología que dominan algunos fabricantes como Broadcom e Inphi. La cancelación de DSP también reduce hasta cierto punto la dependencia de unos pocos fabricantes.

Baja latencia

Sin DSP, se reduce un paso de procesamiento y también se reduce la latencia de transmisión de datos. Esta ventaja es especialmente importante para escenarios de supercomputación y computación de IA.

Fácil mantenimiento

Esto es relativo a la solución CPO. En la solución CPO, si algún dispositivo del sistema se avería, hay que apagar y reemplazar toda la placa, lo que resulta muy incómodo para el mantenimiento. El empaquetado de LPO no ha cambiado significativamente, admite el intercambio en caliente, simplifica el cableado de fibra y el mantenimiento del equipo, y es más cómodo de usar.

Los desafíos actuales de LPO

Distancia de comunicación corta

Hay un precio que pagar por eliminar el DSP. Los chips TIA y de controlador no pueden reemplazar completamente al DSP, por lo que la tasa de error de bits del sistema aumentará. Con una tasa de error de bits más alta, la distancia de transmisión será naturalmente más corta. La industria generalmente cree que LPO solo es adecuado para escenarios de aplicaciones específicos de corta distancia. Por ejemplo, la conexión entre servidores y conmutadores dentro de los gabinetes del centro de datos y la conexión entre gabinetes del centro de datos. El desarrollo inicial de LPO puede conectar distancias desde unos pocos metros hasta decenas de metros. En el futuro podrá ampliarse hasta 500 metros.

La estandarización apenas comienza

En la actualidad, la estandarización de LPO aún se encuentra en sus primeras etapas y puede haber algunos desafíos en cuanto a la interoperabilidad. Para las empresas, si adoptan LPO, deben tener ciertas capacidades técnicas, poder formular especificaciones y soluciones técnicas, poder explorar las condiciones límite de dispositivos y módulos y poder realizar una gran cantidad de pruebas de integración e interoperabilidad.

En otras palabras, LPO es actualmente más adecuado para sistemas relativamente cerrados y de un solo proveedor. Si se utilizan varios proveedores y no tienen la fuerza para controlarlos, puede haber problemas como "problemas difíciles de definir, elusión mutua", que es peor que usar soluciones DSP tradicionales.

Además, algunos expertos han señalado que la LPO plantea algunos desafíos al diseño del 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 LPO no puede cumplir con los requisitos de 224G SerDes.

El progreso de la industrialización de LPO

De hecho, algunas empresas han propuesto soluciones LPO anteriormente, pero no han logrado ningún resultado debido a limitaciones técnicas. En la conferencia OFC de este año, se propuso nuevamente LPO y pronto se convirtió en el foco de atención de la industria.    

AWS, Meta, Microsoft, Google y otros importantes clientes del mercado internacional han expresado interés en LPO. Muchos gigantes de las comunicaciones ópticas también han invertido recursos en investigación y desarrollo. Actualmente, FiberMall ha lanzado una solución LPO de 800G.

Recientemente, algunas empresas deberían haber realizado envíos a pequeña escala. La clave de la solución LPO está en el chip. Los principales proveedores de TIA y Driver de alta linealidad son Macom, Semtech, Maxlinear y otros.

Según las predicciones, LPO logrará una comercialización a gran escala para 2024. Las instituciones más optimistas de la industria creen que LPO puede ocupar la mitad de la cuota de mercado en el futuro. Las instituciones más conservadoras creen que la proporción de CPO/LPO alcanzará alrededor del 30% para 2026.

Conclusión

LPO es una tecnología que equilibra y compromete. Se adapta a un escenario de aplicación específico (corta distancia) y renuncia a DSP/CDR, lo que resulta en una ligera pérdida de rendimiento (tasa de error de bits). Sin embargo, también reduce el consumo de energía, el costo y la latencia. Tiene diferentes ventajas y desventajas que el CPO. Aunque surgió más tarde que CPO, se implementará más rápido que CPO.

Siguiendo la tendencia actual, LPO será el camino tecnológico con mayor potencial en la era 800G. A medida que avance la ola AIGC, la red óptica del centro de datos avanzará a 800G. Se acerca la época dorada de la LPO.