LPO光トランシーバモジュールとは何ですか?

近年、光通信産業は急速に発展しています。 5GやAIの推進により、光通信技術は大きな進歩を遂げ、光インフラも質的に飛躍しました。 特に今年はAIGCの大型モデルが普及し、インテリジェントコンピューティングやスーパーコンピューティングが台頭し、光通信の新たな開発ブームが起きた。 バックボーン ネットワーク 400G はまもなく完全に導入され、データ センター 800G と 1.6T も試してみたいと考えています。

光通信進化の課題

実際、光通信のテクノロジーの反復は単純に数が XNUMX 倍になるわけではありません。

400Gの段階に入ると、速度の向上だけでなく、高速化がもたらす消費電力やコストの問題も解決しなければなりません。 速度向上はトラック配送のようなものです。 荷物がどんどん重くなってくると、エンジンをアップグレードする必要があります。 エンジンの排気量が大きくなると燃費が良くなり、エンジン価格や燃料費も高くなります。

光モジュールを例に挙げます。

光ネットワークのキーデバイスであり、最も使用されているデバイスとして、光モジュールは常に業界の注目の的となっています。 その消費電力と価格はユーザーの購入意向と密接に関係しています。

2007 年当時、10 ギガビット (10Gbps) 光モジュールの電力はわずか約 1W でした。

40G、100G、400G、800G と光モジュールの消費電力は急増し、30W に達しています。

スイッチには複数の光モジュールを搭載できることを認識することが重要です。 フル搭載の場合、光モジュールが数十個になることもよくあります（48個の場合、48×30=1440W）。

一般的に光モジュールの消費電力は、機械全体の消費電力の約40％以上を占めます。 つまり、マシン全体の消費電力は3000Wを超える可能性が高いということだ。

光通信機器のエネルギー消費の急増は、データセンター全体のエネルギー消費とコストにも多大な圧力をかけており、通信ネットワークのカーボンピーキングとカーボンニュートラルの目標にとって非常に悪影響を及ぼします。

2010 年と比較すると、光デバイスのエネルギー消費量は 26 倍に増加します。

光通信の速度の上昇によってもたらされるエネルギー消費の問題を解決するために、業界は多くの技術的探求を行ってきました。

昨年流行したCPOもその解決策の一つです。 今年はそれに加えて、 CPO、業界は新しいプログラム、LPO を提案しました。

LPOとは

LPO、英語の正式名称はLinear-drive Pluggable Opticsと呼ばれます。

名前からもわかるように、光モジュールの実装技術です。

次の図に示すように、スイッチには光モジュール ポートがあり、対応する光モジュールをそこに挿入すると、ファイバを接続できます。 壊れた場合は交換も可能です。

LPO は、光モジュールがプラグ可能ではない CPO ソリューションと区別するために「プラグ可能」を強調しています。 光モジュール (光エンジン) はスイッチング チップの近くに移動され、スイッチング チップに直接「結合」されます。

LPO と従来の光モジュールの主な違いは、リニアドライブです。

いわゆる「リニアドライブ」とは、LPOがリニアダイレクトドライブ技術を採用し、光学モジュール内のDSP（デジタル信号処理）/CDR（クロックデータリカバリ）チップが廃止されたことを意味します。

では、リニア ダイレクト ドライブとは何でしょうか。DSP の役割は何でしょうか。なぜ、DSP を廃止できるのでしょうか? なぜキャンセルできるのでしょうか？ 削除の影響は何ですか?

光モジュールの基本アーキテクチャから始めましょう。

光モジュール伝送、つまり電気信号から光信号へ、光信号から電気信号へのプロセス。

送信側では、信号はデジタル - アナログ コンバーター (DAC) を通過し、デジタル信号からアナログ信号に変換されます。 受信側では、アナログ信号はアナログデジタル変換 (ADC) を経て、再びデジタルになります。

XNUMX 回の操作の後、得られるデジタル信号は少し乱雑で歪んでいます。 このとき、DSP、デジタル信号の「修復」が必要になります。

DSP はアルゴリズムを実行するチップです。 デジタル クロック回復機能と分散補償機能 (ノイズ、非線形干渉、その他の要因を除去するため) を備えており、歪みと闘い、補償し、システム BER への影響を軽減することができます。

(注: DSP はすべての従来の光モジュールで利用できるわけではありません。ただし、高速光モジュールでは信号要件が高いため、基本的に DSP が必要です。)

DSP に加えて、光モジュールの主な電気チップには、レーザー ドライバー (LDD)、トランスインピーダンス アンプ (TIA)、リミティング アンプ (LA)、およびクロックおよびデータ リカバリ チップ (CDR) が含まれます。

CDR はデータの復元にも使用されます。 受信信号からデータ列を抽出し、そのデータ列に対応するクロックタイミング信号を復元することで、受信した特定情報を復元します。

DSPは非常に強力です。 ただし、消費電力とコストも高くなります。

例えば、内 400G光モジュール、7nm DSPが使用されており、消費電力は約4Wで、モジュール全体の消費電力の約50％を占めます。

コストの観点から見ると、400G 光モジュールの DSP の BOM (部品表) コストは約 20 ～ 40% を占めます。

LPO ソリューションは、光モジュール内の DSP/CDR チップを取り出し、関連する機能をデバイス側のスイッチング チップに統合するものです。

光モジュールには線形性の高いDriver（ドライバーチップ）とTIA（トランスインピーダンスアンプ）のみを残し、それぞれCTLE（Continuous Time Linear Equalization）機能とEQ（イコライゼーション、イコライゼーション）機能を集積し、高周波特性を補償します。 -ある程度の速度信号。 イコライゼーション機能を搭載しており、高速信号をある程度補償します。

LPOのメリット

LPO の利点は、低消費電力、低コスト、低遅延、およびメンテナンスの容易さとして要約されます。

低消費電力

DSP がなければ消費電力は確実に下がります。

マコムのデータによると、DSP 機能を備えた 800G マルチモード光モジュールの消費電力は 13W を超える可能性がありますが、 800G MACOM PURE DRIVE テクノロジーを採用したマルチモード光モジュールは 4W 未満です。

低価格

これは自明のことです。 前述したように、DSP の BOM コストは約 20 ～ 40% を占めますが、これは排除されます。 ドライバーと TIA は EQ を統合しているため、コストはわずかに増加しますが、それでも全体のコストは削減されます。 業界の分析によると、800G 光モジュールの BOM コストは約 600 ～ 700 ドル、DSP チップのコストは約 50 ～ 70 ドルです。 ドライバーと TIA には EQ 機能が統合されているため、コストが 3 ～ 5 ドル増加します。 このように計算すると、システム全体のコストは約 8%、約 50 ～ 60 ドル削減できます。 DSP も、Broadcom や Inphi などの少数のメーカーが習得したテクノロジーであることは言及する価値があります。 DSP を廃止することで、少数のメーカーへの依存もある程度軽減されます。

低レイテンシ

DSP を使用しない場合、処理ステップが XNUMX つ減り、データ送信の待ち時間も短縮されます。 この利点は、AI コンピューティングおよびスーパーコンピューティングのシナリオでは特に重要です。

簡単なメンテナンス

これは CPO ソリューションに関連しています。 CPO ソリューションでは、システム内のいずれかのデバイスが故障した場合、電源を供給する必要があります。 off ボード全体を交換する必要があるため、メンテナンスが非常に不便です。 LPO のパッケージは大幅に変更されておらず、ホットスワップをサポートし、ファイバー配線と機器のメンテナンスが簡素化され、さらに使いやすくなっています。

LPO の現在の課題

通信距離が短い

DSP を削除するには代償がかかります。 TIA とドライバー チップは DSP を完全に置き換えることはできないため、システムのビット エラー レートが増加します。 ビットエラー率が高くなると当然伝送距離は短くなります。 業界では一般に、LPO は特定の短距離アプリケーション シナリオにのみ適していると考えられています。 たとえば、データ センター キャビネット内のサーバーとスイッチ間の接続、およびデータ センター キャビネット間の接続です。 LPO の初期開発では、数メートルから数十メートルの距離を接続できます。 将来的には500メートル以内まで延長される可能性もあります。

標準化はまだ始まったばかりです

現時点では、LPO の標準化はまだ初期段階にあり、相互運用性においていくつかの課題がある可能性があります。 企業が LPO を採用する場合、一定の技術的能力が必要であり、技術仕様とソリューションを策定でき、デバイスとモジュールの境界条件を探索でき、多数の統合テストと相互運用性テストを実行できる必要があります。

言い換えれば、LPO は現在、比較的閉鎖的で単一サプライヤーのシステムにより適しています。 複数のサプライヤーが使用され、それらを制御する力がない場合、従来の DSP ソリューションを使用するよりも悪い「問題の定義が難しい、相互回避」などの問題が発生する可能性があります。

さらに、一部の専門家は、LPO がシステム側の電気チャネル設計にいくつかの課題をもたらすと指摘しています。 SerDes の現在の主流仕様は 112G ですが、間もなく 224G にアップグレードされる予定です。 専門家は、LPO では 224G SerDes の要件に対応できないと考えています。

LPOの工業化の進展

実はLPOソリューションはこれまでもいくつかの企業から提案されてきましたが、技術的な限界により成果は出ていませんでした。 今年の OFC カンファレンスでは、LPO が再び提案され、すぐに業界の注目を集めるようになりました。    

AWS、メタ、マイクロソフト、グーグル、その他の主要な国際市場の顧客が LPO に関心を示しています。 多くの光通信大手も研究開発にリソースを投資しています。 現在、FiberMall は 800G LPO ソリューションを開始しました。

最近では小規模出荷を達成している企業もあるはずだ。 LPO ソリューションの鍵はチップにあります。 高線形性 TIA およびドライバーの主なサプライヤーは、Macom、Semtech、Maxlinear などです。

予測によれば、LPO は 2024 年までに大規模な商業化を達成するとされています。業界のより楽観的な機関は、将来的には LPO が市場シェアの半分を占める可能性があると考えています。 より保守的な機関は、CPO/LPO の割合が 30 年までに約 2026% に達すると考えています。

まとめ

LPO はバランスと妥協を実現するテクノロジーです。 特定のアプリケーション シナリオ (短距離) に適応し、DSP/CDR を放棄するため、パフォーマンス (ビット エラー レート) がわずかに低下します。 ただし、消費電力、コスト、遅延も削減されます。 CPO とは異なる利点と欠点があります。 CPO よりも後に登場しましたが、CPO よりも早く展開されます。

現在の傾向に従うと、LPO は 800G 時代で最も可能性のあるテクノロジー パスとなるでしょう。 AIGC の波が進むにつれて、データセンターの光ネットワークは 800G まで進歩するでしょう。 LPO の黄金時代が近づいています。