O que é o módulo transceptor óptico LPO?

Nos últimos anos, a indústria de comunicação óptica tem se desenvolvido rapidamente. Impulsionada pelo 5G e pela IA, a tecnologia de comunicação óptica alcançou grandes avanços e a infraestrutura óptica também deu um salto qualitativo. Especialmente este ano, o grande modelo AIGC tornou-se popular, e a computação inteligente e a supercomputação aumentaram, o que levou a uma nova onda de boom de desenvolvimento para comunicação óptica. A rede backbone 400G está prestes a ser totalmente implantada e os data centers 800G e 1.6T também estão ansiosos para experimentar.

Os desafios da evolução da comunicação óptica

Na verdade, a iteração tecnológica da comunicação óptica não é uma simples duplicação de números.

Depois de entrar na fase 400G, temos que resolver não só a melhoria da velocidade, mas também os problemas de consumo de energia e custos trazidos pela alta velocidade. A melhoria da velocidade é como a entrega de um caminhão. Quando a carga fica cada vez mais pesada, é necessário atualizar o motor. Quanto maior for a cilindrada do motor, maior será o consumo de combustível e o preço do motor e o custo do combustível também aumentarão.

Tomamos módulos ópticos como exemplo.

Como dispositivo chave das redes ópticas e o dispositivo mais utilizado, os módulos ópticos sempre foram o foco da atenção da indústria. Seu consumo de energia e preço estão intimamente relacionados à intenção de compra do usuário.

Em 2007, um módulo óptico de 10 Gigabit (10 Gbps) tinha apenas cerca de 1 W de potência.

Com 40G, 100G, 400G e 800G, o consumo de energia dos módulos ópticos disparou, chegando a 30W.

É importante perceber que um switch pode ter mais de um módulo óptico. Se estiver totalmente carregado, geralmente existem dezenas de módulos ópticos (se houver 48 deles, é 48×30=1440W).

De modo geral, o consumo de energia dos módulos ópticos é responsável por cerca de 40% ou mais do consumo de energia de toda a máquina. Isso significa que é altamente provável que o consumo de energia de toda a máquina exceda 3000 W.

O aumento no consumo de energia dos equipamentos de comunicação óptica também coloca uma enorme pressão sobre o consumo de energia e o custo de todo o data center, o que é altamente prejudicial para os objetivos de pico de carbono e de neutralidade de carbono das redes de comunicação.

Comparado com 2010, o consumo de energia dos dispositivos ópticos aumentará 26 vezes.

Para resolver o problema do consumo de energia provocado pelo aumento da taxa de comunicação óptica, a indústria tem realizado muita exploração técnica.

O CPO, que se popularizou no ano passado, é uma das soluções. Este ano, além de CPO, a indústria apresentou um novo programa – LPO.

O que é LPO

LPO, o nome completo do inglês chamado Linear-drive Pluggable Optics.

Como você pode perceber pelo nome, é uma tecnologia de empacotamento de módulo óptico.

Conforme mostrado na figura abaixo, existem portas de módulo óptico no switch, insira o módulo óptico correspondente nele e então você pode conectar a fibra. Se estiver quebrado, também pode ser substituído.

LPO enfatiza “conectável” para distingui-lo da solução CPO, na qual os módulos ópticos não são conectáveis. O módulo óptico (motor óptico) é aproximado do chip de comutação e diretamente “amarrado” a ele.

A principal diferença entre LPOs e módulos ópticos tradicionais é o drive linear.

O chamado “acionamento linear” significa que o LPO adota a tecnologia de acionamento direto linear e o chip DSP (Digital Signal Processing) / CDR (Clock Data Recovery) é cancelado no módulo óptico.

Então, o que é acionamento direto linear, qual é o papel do DSP e por que ele pode ser eliminado? Por que pode ser cancelado? Qual o impacto da remoção?

Vamos começar com a arquitetura básica do módulo óptico.

Transmissão de módulo óptico, isto é, o processo de sinais elétricos em sinais ópticos, sinais ópticos em sinais elétricos.

Na extremidade da transmissão, o sinal passa por um conversor digital para analógico (DAC), que o transforma de sinal digital em sinal analógico. Na extremidade receptora, o sinal analógico passa pela conversão analógico-digital (ADC) e torna-se digital novamente.

Após uma operação, o sinal digital obtido fica um pouco confuso e distorcido. Neste momento surge a necessidade do DSP, o “reparo” do sinal digital.

DSP é um algoritmo de execução de chip. Possui uma função de recuperação de relógio digital e função de compensação de dispersão (para remover ruído, interferência não linear e outros fatores), pode combater e compensar a distorção e reduzir a distorção no impacto do BER do sistema.

(Observação: o DSP não está disponível em todos os módulos ópticos tradicionais. No entanto, em módulos ópticos de alta velocidade, os requisitos de sinal são altos, então o DSP é basicamente necessário.)

Além do DSP, os principais chips elétricos em módulos ópticos incluem um driver de laser (LDD), amplificador de transimpedância (TIA), amplificador limitador (LA) e chip de relógio e recuperação de dados (CDR).

O CDR também é usado para restauração de dados. Extrai a sequência de dados do sinal recebido e recupera o sinal de temporização correspondente à sequência de dados, restaurando assim a informação específica recebida.

DSP é muito poderoso. No entanto, também apresenta alto consumo de energia e custo.

Por exemplo, no Módulo óptico 400G, o DSP de 7nm utilizado, o consumo de energia é de cerca de 4W, representando cerca de 50% do consumo de energia de todo o módulo.

Do ponto de vista de custo, o custo da BOM (lista de materiais) do DSP em um módulo óptico de 400G é responsável por cerca de 20-40%.

A solução LPO é retirar o chip DSP/CDR do módulo óptico e integrar as funções relacionadas ao chip de comutação no lado do dispositivo.

No módulo óptico, restam apenas o Driver (Chip Driver) e TIA (Amplificador Trans-Impedância) com alta linearidade, e as funções CTLE (Equalização Linear de Tempo Contínuo) e EQ (Equalização, Equalização) são integradas, respectivamente, para compensar alta -Sinais de velocidade até certo ponto. As funções de equalização) são integradas para compensar sinais de alta velocidade até certo ponto.

As vantagens do LPO

As vantagens dos LPOs são resumidas em baixo consumo de energia, baixo custo, baixa latência e fácil manutenção.

Baixo consumo de energia

Sem DSP, o consumo de energia diminui com certeza.

De acordo com os dados da Macom, o consumo de energia de um módulo óptico multimodo 800G com função DSP pode ultrapassar 13W, enquanto o consumo de energia de um 800G módulo óptico multimodo que utiliza a tecnologia MACOM PURE DRIVE é inferior a 4W.

Baixo custo

Isto é evidente. Conforme mencionado anteriormente, o custo da lista técnica do DSP representa cerca de 20-40%, o que é eliminado. O driver e o TIA integram o EQ, o que aumenta ligeiramente o custo, mas o custo geral ainda é reduzido. De acordo com a análise da indústria: em um módulo óptico de 800G, o custo do BOM é de cerca de 600-700 dólares americanos e o custo do chip DSP é de cerca de 50-70 dólares americanos. O driver e o TIA integram a funcionalidade EQ, o que aumenta o custo em 3 a 5 dólares americanos. Calculado desta forma, o custo total do sistema pode ser reduzido em cerca de 8%, cerca de 50-60 dólares americanos. Vale ressaltar que DSP também é uma tecnologia dominada por alguns fabricantes como Broadcom e Inphi. O cancelamento do DSP também reduz, até certo ponto, a dependência de alguns fabricantes.

Baixa latência

Sem DSP, uma etapa de processamento é reduzida e a latência de transmissão de dados também é reduzida. Esta vantagem é especialmente importante para cenários de computação de IA e supercomputação.

fácil manutenção

Isso é relativo à solução CPO. Na solução CPO, se algum dispositivo no sistema quebrar, você tem que desligar e substituir a placa inteira, o que é muito inconveniente para manutenção. O pacote do LPO não mudou significativamente, suporta hot swapping, simplifica a fiação de fibra e a manutenção do equipamento e é mais conveniente de usar.

Os desafios atuais da LPO

Distância de comunicação curta

Há um preço a pagar pela remoção do DSP. Os chips TIA e driver não podem substituir completamente o DSP, portanto a taxa de erro de bits do sistema aumentará. Com uma taxa de erro de bit mais alta, a distância de transmissão será naturalmente menor. A indústria geralmente acredita que o LPO é adequado apenas para cenários específicos de aplicação de curta distância. Por exemplo, a conexão entre servidores e switches dentro de gabinetes de data centers e a conexão entre gabinetes de data centers. O desenvolvimento inicial do LPO pode conectar distâncias de alguns metros a dezenas de metros. No futuro, poderá ser ampliado para até 500 metros.

A padronização está apenas começando

Actualmente, a normalização da LPO ainda está numa fase inicial e poderão existir alguns desafios em termos de interoperabilidade. Para as empresas, se adoptarem LPO, precisam de ter certas capacidades técnicas, ser capazes de formular especificações e soluções técnicas, ser capazes de explorar as condições de fronteira de dispositivos e módulos e ser capazes de realizar um grande número de testes de integração e interoperabilidade.

Em outras palavras, o LPO é atualmente mais adequado para sistemas relativamente fechados e de fornecedor único. Se forem utilizados vários fornecedores e estes não tiverem força para controlá-los, pode haver problemas como “problemas difíceis de definir, esquivas mútuas”, o que é pior do que usar soluções DSP tradicionais.

Além disso, alguns especialistas apontaram que o LPO traz alguns desafios para o projeto do canal elétrico do lado do sistema. A especificação principal atual do SerDes é 112G, que em breve será atualizada para 224G. Os especialistas acreditam que o LPO não consegue atender aos requisitos do 224G SerDes.

O progresso da industrialização da LPO

Na verdade, soluções LPO já foram propostas por algumas empresas antes, mas não alcançaram nenhum resultado devido a limitações técnicas. Na conferência OFC deste ano, o LPO foi proposto novamente e logo se tornou o foco da atenção da indústria.    

AWS, Meta, Microsoft, Google e outros grandes clientes do mercado internacional manifestaram interesse em LPO. Muitos gigantes da comunicação óptica também investiram recursos em pesquisa e desenvolvimento. Atualmente, a FiberMall lançou uma solução LPO 800G.

Recentemente, algumas empresas deveriam ter conseguido embarques em pequena escala. A chave para a solução LPO está no chip. Os principais fornecedores de TIA & Driver de alta linearidade são Macom, Semtech, Maxlinear, entre outros.

De acordo com as previsões, o LPO alcançará a comercialização em larga escala até 2024. As instituições mais otimistas do setor acreditam que o LPO poderá ocupar metade da participação de mercado no futuro. As instituições mais conservadoras acreditam que a participação do CPO/LPO atingirá cerca de 30% até 2026.

Conclusão

LPO é uma tecnologia que equilibra e compromete. Adapta-se a um cenário de aplicação específico (curta distância) e dispensa DSP/CDR, o que resulta em uma ligeira perda de desempenho (taxa de erro de bits). No entanto, também reduz o consumo de energia, custo e latência. Tem vantagens e desvantagens diferentes do CPO. Embora tenha surgido depois do CPO, será implantado mais rapidamente que o CPO.

Seguindo a tendência atual, o LPO será o caminho tecnológico com maior potencial na era 800G. À medida que a onda AIGC avança, a rede óptica do data center avançará para 800G. A era de ouro da LPO está se aproximando.