Quais são as diferenças entre CPO e LPO

Os módulos ópticos tradicionais são independentes do ASIC de comutação e conectados a outros componentes eletrônicos através de cabos de cobre ou fibras ópticas. Essa abordagem geralmente leva a um consumo significativo de energia e perda de sinal durante a transmissão de dados em alta velocidade. Particularmente, à medida que as velocidades da rede progrediram de 400G para 800G e até 1.6T, e espera-se que atinjam 3.2T em breve, o desafio do consumo de energia tornou-se mais pronunciado.

O consumo de energia dos módulos SFP é de cerca de 2 W, os módulos ópticos 100G são normalmente de 1.5 W a 3 W, 400G QSFP-DD DR4 os módulos ópticos podem ser controlados em 12W e os módulos ópticos 800G variam de 12W a 16W.

À medida que as taxas de dados aumentam, o consumo de energia dos módulos ópticos individuais tem aumentado linearmente, levando a um aumento significativo no consumo geral de energia do sistema.

Do ponto de vista do empacotamento do dispositivo, quando a taxa de sinal dobra de 56 Gbps para 112 Gbps, a perda de inserção dos traços de PCB de baixa perda, mesmo com materiais de PCB avançados, também dobrará aproximadamente para um determinado comprimento de traço.

Geralmente, quanto mais curto o canal elétrico e menos conversões intermediárias (vias, conectores), mais fácil é gerenciar problemas de integridade do sinal. Isto impulsionou a tendência de integração de dispositivos ópticos mais próximos do ASIC, o que pode efetivamente reduzir o consumo de energia.

Duas soluções principais surgiram com base neste princípio:

• Óptica Co-Packaged (CPO): Os componentes ópticos e elétricos são co-embalados.
• Linear Photonic Optical (LPO): Módulos conectáveis ​​com drivers ópticos lineares.

A evolução dos módulos conectáveis ​​para CPO e LPO é ilustrada no diagrama.

O que é óptica co-embalada (CPO)?

Conforme mencionado anteriormente, os módulos ópticos tradicionais são independentes do ASIC de comutação e conectados a outros componentes eletrônicos através de cabos de cobre ou fibras ópticas. Essa abordagem geralmente leva a um consumo significativo de energia e perda de sinal durante a transmissão de dados em alta velocidade.

O CPO é uma solução para resolver esse problema. Ao empacotar o módulo óptico e o ASIC de comutação juntos, a distância para conversão de sinal entre os domínios elétrico e óptico, bem como a distância de transmissão, pode ser bastante reduzida. Isto pode reduzir significativamente o consumo de energia, melhorar a integridade do sinal e reduzir a latência, ao mesmo tempo que reduz a pegada geral.

O diagrama abaixo ilustra a evolução dos DACs tradicionais baseados em cobre e dispositivos ópticos conectáveis ​​para dispositivos ópticos integrados em 3D em CPO.

Como você pode ver no diagrama acima, não é um processo de uma única etapa quando se trata de como minimizar a distância linear da conexão, começando com a óptica de pacote próximo NPO e depois CPO.

O NPO desacopla o mecanismo óptico do chip do switch e os monta na mesma placa de sistema.

O CPO, por outro lado, monta diretamente o chip de comutação e o mecanismo óptico em um slot, realizando o co-empacotamento do chip e do módulo.

Comparado ao NPO, o módulo do CPO está mais próximo do ASIC do host, permitindo menor perda de canal e consumo de energia.

Atualmente, existem três estágios de embalagem CPO (Chip-Photonics Optics):

CPO tipo A (correspondente ao 4º estágio de cima para baixo na Figura 3 – CPO 2.5D)

CPO tipo B (correspondente ao 5º estágio de cima para baixo na Figura 3 – CPO de Chiplet 2.5D)

CPO tipo C (correspondente ao 6º estágio de cima para baixo na Figura 3 – CPO 3D)

Do tipo A ao tipo C, a principal característica é que o mecanismo óptico e o switch ASIC são colocados cada vez mais próximos.

Na OFC deste ano, grandes empresas como Intel e Cisco apresentaram produtos CPO tipo A. O CPO tipo A é caracterizado pelo fato de o chip e o módulo óptico serem componentes completamente padronizados e independentes, empacotados em um substrato PCB. A distância entre o mecanismo óptico e o chip é de 10 cm e o oDSP é eliminado.

Na OFC, a Broadcom apresentou seu switch Bailly 51.2T usando a solução CPO tipo B, com 8 mecanismos ópticos Bailly SCIP 6.4T-FR4 e conectores de fibra Broadcom (BFC). A diferença em relação ao CPO tipo A não é significativa – o ASIC e o módulo óptico ainda estão relativamente desacoplados, mas a tecnologia de empacotamento em nível de wafer é introduzida para aproximar os dois componentes, com uma distância de apenas alguns centímetros.

O pacote CPO 3D tipo C é a forma definitiva de CPO, integrando verdadeiramente o chip fotônico de silício com outras matrizes simples (como GPU, Lanswitch, HBM, etc.) em um único pacote grande.

Um dos objetivos do CPO é reduzir o consumo de energia. Conforme mostrado na Figura 2, o consumo de energia de um módulo óptico 400G ZR está principalmente concentrado no DSP. Portanto, seja o CPO ou o LPO discutido posteriormente, o projeto principal é eliminar o DSP.

Porém, não podemos dizer que o CPO não possui DSP. Para realizar modulação/demodulação de sinal de alta velocidade, codificação/decodificação e compensação de sinal, o CPO ainda precisa integrar a funcionalidade DSP ou trabalhar em estreita colaboração com um chip com recursos DSP. Na solução CPO, o DSP é integrado diretamente em um chip dentro do pacote ou firmemente conectado por meio de uma conexão extremamente compacta e eficiente para alcançar as funções de processamento de sinal necessárias.

O que é tecnologia LPO

LPO, ou Linear-drive Pluggable Optics, é uma tecnologia de empacotamento de módulo óptico. Seja CPO ou LPO, um dos principais objetivos em comparação aos módulos ópticos tradicionais é reduzir o consumo de energia, e o consumo de energia do DSP é o mais alto de todo o módulo.

Para LPO, a principal característica é a eliminação do DSP. O link de dados utiliza apenas componentes analógicos lineares, sem qualquer design de CDR ou DSP. Ele substitui o DSP por um chip Amplificador de Transimpedância (TIA) e Driver (DRIVER) que possui alta linearidade e recursos de equalização.

O ODCC lançou um white paper sobre aplicações de módulos ópticos 112G LPO em 2023. O design do Módulo LPO é como se segue:

• Remove os componentes do retemporizador CDR/oDSP
• Usa chips TIA e DRIVER com melhor desempenho e recursos de compensação SI mais fortes
• Integra algumas funções de compensação no chip ASIC do dispositivo de rede
• A regeneração do sinal e a compensação do sinal digital originalmente feitas pelo oDSP agora são divididas entre o dispositivo de rede ASIC, DRIVER e TIA.

Em termos de interfaces, o LPO não possui requisitos para o empacotamento do módulo, seja QSFP, QSFP-DD, OSFP, OSFPXD ou outros, soluções LPO podem ser implementadas.

Na indústria, empresas de chips relativamente fracas em DSP, como Macom, Semtech e Maxlinear, estão promovendo ativamente o LPO. A principal razão é que eles esperam contornar as deficiências do DSP através da solução LPO. Atualmente, a padronização da solução LPO ainda não está madura, envolvendo principalmente a interface elétrica e a interface óptica.

A interface elétrica é principalmente o protocolo CEI-112G-Linear-PAM4 da OIF. Desde a última atualização em abril de 2024, o padrão CEI-112G-Linear-PAM4 fez progressos substanciais e foi adotado e implementado pela indústria, com empresas como a Hisense já lançando cabos ópticos de interconexão linear 800G baseados neste padrão.

Para a interface óptica, os protocolos da série IEEE802.3 são padrões maduros e amplamente utilizados, e todos os módulos ópticos conectáveis ​​do tipo retimer precisam estar em conformidade com esses protocolos. Se o LPO puder cumprir os protocolos 802.3, poderá alcançar a verdadeira “interoperabilidade” no sentido mais amplo.

As diferenças entre CPO e LPO

Tanto o CPO quanto o LPO ainda estão em desenvolvimento contínuo. Os pacotes CPO e LPO têm suas características e vantagens. A tecnologia de pacote CPO foca no pacote óptico-elétrico integrado, adequado para cenários de interconexão de alta velocidade e alta densidade, enquanto a tecnologia de pacote LPO foca na capacidade de conexão e custo-benefício, adequada para cenários de transmissão de curta distância. Dentro da estrutura CPO, se o equipamento do sistema falhar, a energia precisa ser desligada e toda a placa precisa ser substituída, o que é bastante inconveniente para tarefas de manutenção.

Em comparação, a capacidade de conexão dos módulos ópticos LPO permite uma substituição eficiente sem desligar todo o sistema, aumentando ainda mais a conveniência geral da solução LPO e simplificando o cabeamento de fibra e a manutenção do equipamento.

No geral, o LPO é um caminho evolutivo para módulos ópticos conectáveis, mais fácil de implementar e com mais certeza em comparação com a solução CPO.

No entanto, de acordo com alguns especialistas, a tecnologia LPO introduz importantes desafios de projeto para o canal elétrico do lado do sistema. A atual especificação principal do SerDes é 112G, que em breve será atualizada para 224G. Os especialistas acreditam que a tecnologia LPO pode não ser capaz de atender aos requisitos do 224G SerDes.