CPOとLPOの違いは何ですか

2024 年 4 月 1 日

フェリサック

光学技術者

従来の光モジュールはスイッチング ASIC から独立しており、銅線ケーブルまたは光ファイバーを介して他の電子コンポーネントに接続されています。このアプローチでは、多くの場合、高速データ伝送中に大幅な電力消費と信号損失が発生します。特に、ネットワーク速度が 400G から 800G、さらには 1.6T にまで進歩し、間もなく 3.2T に達すると予想されるため、消費電力の課題はより顕著になってきています。

SFP モジュールの消費電力は約 2W、100G 光モジュールは通常 1.5W ～ 3W、 400G QSFP-DD DR4 光モジュールは 12W 以内で制御でき、800G 光モジュールの範囲は 12W ～ 16W です。

データレートが増加するにつれて、個々の光モジュールの消費電力は直線的に増加し、システム全体の消費電力が大幅に増加します。

デバイスのパッケージングの観点から見ると、信号速度が 56Gbps から 112Gbps に XNUMX 倍になると、先進的な PCB 材料を使用した場合でも、低損失 PCB トレースの挿入損失も、所定のトレース長で約 XNUMX 倍になります。

一般に、電気チャネルが短く、中間変換 (ビア、コネクタ) が少ないほど、信号整合性の問題の管理が容易になります。これにより、光デバイスを ASIC の近くに統合する傾向が強まり、消費電力を効果的に削減できます。

この原則に基づいて、2 つの主要なソリューションが登場しました。

Co-Packaged Optics (CPO): 光学部品と電気部品が一緒にパッケージ化されています。
リニアフォトニックオプティカル (LPO): リニアオプティカルドライバーを備えたプラグイン可能なモジュール。

プラグ可能モジュールから CPO および LPO への進化を図に示します。

Co-Packaged Optics (CPO) とは何ですか?

前述したように、従来の光モジュールはスイッチング ASIC から独立しており、銅ケーブルまたは光ファイバーを介して他の電子コンポーネントに接続されています。このアプローチでは、多くの場合、高速データ伝送中に大幅な電力消費と信号損失が発生します。

CPO は、この問題に対処するソリューションです。光モジュールとスイッチング ASIC を密接にパッケージ化することにより、電気ドメインと光ドメイン間の信号変換距離と伝送距離を大幅に短縮できます。これにより、消費電力が大幅に削減され、信号の完全性が向上し、遅延が短縮されると同時に、全体的な設置面積も削減されます。

以下の図は、CPO における従来の銅ベースの DAC およびプラガブル光デバイスから 3D 統合光デバイスへの進化を示しています。

上の図からわかるように、接続の直線距離を最小限に抑える方法に関しては、NPO のニアパッケージ光学系から始めて CPO に至るまで、ワンステップのプロセスではありません。

NPO は光学エンジンをスイッチチップから切り離し、同じシステムボード上に組み立てます。

一方、CPO はスイッチングチップと光学エンジンを 1 つのスロットに直接実装し、チップとモジュールの同時パッケージ化を実現します。

NPO と比較して、CPO のモジュールはホスト ASIC に近いため、チャネル損失と消費電力を低く抑えることができます。

現在、CPO (チップフォトニクスオプティクス) パッケージングには 3 つの段階があります。

AタイプCPO（図4の上から下まで3段目 – 2.5D CPOに相当）

B タイプ CPO (図 5 の上から下への 3 段目 – 2.5D チップレット CPO に相当)

C型CPO（図6の上から下へ3段目 – 3D CPOに相当）

A タイプから C タイプまで、主な特徴は、光学エンジンとスイッチ ASIC がますます近くに配置されていることです。

今年のOFCでは、IntelやCiscoなどの大手企業がAタイプのCPO製品を展示した。 A タイプ CPO は、チップと光モジュールが完全に標準化された独立したコンポーネントであり、PCB 基板上に同時パッケージ化されていることが特徴です。光学エンジンとチップの間の距離は10cm以内であり、oDSPは排除されています。

OFC で、Broadcom は、51.2 つの 8T-FR6.4 Bailly SCIP 光エンジンと Broadcom ファイバーコネクタ (BFC) を備えた、B タイプ CPO ソリューションを使用した Bailly 4T スイッチを展示しました。 A タイプ CPO との違いはそれほど大きくありません。ASIC と光モジュールはまだ比較的分離されていますが、ウェーハレベルのパッケージング技術が導入され、XNUMX つのコンポーネントの距離がわずか数センチメートルに近づきます。

Broadcom Bailly SCIP オプティカルエンジン CPO プラットフォーム

C タイプ 3D CPO パッケージングは CPO の究極の形式であり、シリコンフォトニクスチップと他のベアダイ (GPU、ランスイッチ、HBM など) を単一の大型パッケージに真に統合します。

CPO の目標の 2 つは、消費電力を削減することです。図 400 に示すように、XNUMXG ZR 光モジュールの消費電力はほとんどが DSP に集中しています。したがって、CPO であっても、後で説明する LPO であっても、中心となる設計は DSP を排除することです。

ただし、CPO に DSP が存在しないとは言えません。高速信号変調/復調、エンコード/デコード、および信号補償を実現するには、CPO に DSP 機能を統合するか、DSP 機能を備えたチップと緊密に連携する必要があります。 CPO ソリューションでは、DSP はパッケージ内のチップに直接統合されるか、非常にコンパクトで効率的な接続を通じて緊密に接続され、必要な信号処理機能を実現します。

LPOテクノロジーとは

LPO (Linear-drive Pluggable Optics) は、光モジュールのパッケージング技術です。 CPO であっても LPO であっても、従来の光モジュールと比較した主な目標の 1 つは消費電力を削減することであり、DSP の消費電力はモジュール全体の中で最も高くなります。

LPO の主な特徴は、DSP が省略されていることです。データリンクはリニアアナログコンポーネントのみを使用し、CDR や DSP 設計は使用しません。 DSP を、高い線形性とイコライゼーション機能を備えたトランスインピーダンスアンプ (TIA) およびドライバー (DRIVER) チップに置き換えます。

ODCC は、112 年に 2023G LPO 光モジュールアプリケーションに関するホワイトペーパーをリリースしました。 LPOモジュール次のとおりです。

CDR/oDSP リタイマーコンポーネントを削除します。
より優れたパフォーマンスと強力な SI 補償機能を備えた TIA および DRIVER チップを使用
いくつかの補償機能をネットワークデバイスのASICチップに統合
もともと oDSP によって行われていた信号の再生成とデジタル信号の補償は、現在ではネットワークデバイスの ASIC、DRIVER、および TIA に分割されています。

インターフェイスに関しては、LPO には、QSFP、QSFP-DD、 OSFP、OSFPXD、またはその他の LPO ソリューションを実装できます。

業界ではMacom、Semtech、MaxlinearなどDSPに比較的弱いチップ企業が積極的にLPOを推進している。主な理由は、LPO ソリューションを通じて DSP の欠点を回避したいと考えているためです。現在、LPO ソリューションの標準化はまだ成熟しておらず、主に電気インターフェイスと光インターフェイスが関係しています。

電気インターフェイスは主に OIF の CEI-112G-Linear-PAM4 プロトコルです。 2024 年 112 月の最後の更新の時点で、CEI-4G-Linear-PAM800 標準は大幅に進歩し、業界で採用および実装されており、ハイセンスなどの企業はすでにこの標準に基づいた XNUMXG リニア相互接続光ケーブルを発売しています。

光インターフェイスの場合、IEEE802.3 シリーズプロトコルは成熟し、広く使用されている標準であり、すべてのリタイマータイプのプラガブル光モジュールはこれらのプロトコルに準拠する必要があります。 LPO が 802.3 プロトコルに準拠できれば、最大限の意味で真の「相互運用性」を実現できます。