В чем разница между CPO и LPO

Традиционные оптические модули не зависят от коммутационной ASIC и подключаются к другим электронным компонентам через медные кабели или оптические волокна. Такой подход часто приводит к значительному энергопотреблению и потерям сигнала при высокоскоростной передаче данных. В частности, поскольку скорость сети выросла с 400G до 800G и даже до 1.6T и, как ожидается, вскоре достигнет 3.2T, проблема энергопотребления стала более заметной.

Потребляемая мощность модулей SFP составляет около 2 Вт, оптические модули 100G обычно имеют мощность от 1.5 до 3 Вт. 400G КСФП-ДД ДР4 оптическими модулями можно управлять в пределах 12 Вт, а оптические модули 800G имеют мощность от 12 до 16 Вт.

По мере увеличения скорости передачи данных энергопотребление отдельных оптических модулей растет линейно, что приводит к значительному увеличению общего энергопотребления системы.

С точки зрения упаковки устройства, когда скорость сигнала удваивается с 56 Гбит/с до 112 Гбит/с, вносимые потери в дорожках печатной платы с низкими потерями, даже при использовании современных материалов печатных плат, также примерно удвоятся для заданной длины дорожек.

Как правило, чем короче электрический канал и чем меньше промежуточных преобразований (переходных отверстий, разъемов), тем легче решать проблемы целостности сигнала. Это привело к тенденции интеграции оптических устройств ближе к ASIC, что может эффективно снизить энергопотребление.

На основе этого принципа появилось два основных решения:

• Совмещенная оптика (CPO): Оптические и электрические компоненты упакованы в одну упаковку.
• Линейно-фотонно-оптический (LPO): подключаемые модули с линейными оптическими драйверами.

Эволюция от подключаемых модулей к CPO и LPO показана на схеме.

Что такое комбинированная оптика (CPO)?

Как упоминалось ранее, традиционные оптические модули не зависят от коммутационной ASIC и подключаются к другим электронным компонентам через медные кабели или оптические волокна. Такой подход часто приводит к значительному энергопотреблению и потерям сигнала при высокоскоростной передаче данных.

CPO — решение этой проблемы. Путем совместной упаковки оптического модуля и коммутационной ASIC вместе можно значительно сократить расстояние преобразования сигнала между электрическими и оптическими областями, а также расстояние передачи. Это может значительно снизить энергопотребление, улучшить целостность сигнала и уменьшить задержку, а также уменьшить общую занимаемую площадь.

На диаграмме ниже показана эволюция от традиционных ЦАП на основе медных проводов и подключаемых оптических устройств к оптическим устройствам с 3D-интеграцией в CPO.

Как видно из схемы выше, это не одноэтапный процесс, когда речь идет о том, как минимизировать линейное расстояние соединения, начиная с околокорпусной оптики NPO, а затем CPO.

NPO отделяет оптический механизм от микросхемы коммутатора, а затем собирает их на одной системной плате.

CPO, с другой стороны, непосредственно собирает коммутационный чип и оптический механизм в одном слоте, реализуя совместную упаковку чипа и модуля.

По сравнению с NPO, модуль CPO находится ближе к ASIC хоста, что обеспечивает меньшие потери канала и энергопотребление.

В настоящее время существует три этапа упаковки CPO (Chip-Photonics Optics):

CPO типа А (соответствует 4-й стадии сверху вниз на рисунке 3 – CPO 2.5D)

CPO B-типа (соответствует 5-й ступени сверху вниз на рисунке 3 – 2.5D Chiplet CPO)

CPO типа C (соответствует 6-й стадии сверху вниз на рисунке 3 – 3D CPO)

Ключевой особенностью при переходе от типа A к типу C является то, что оптический механизм и ASIC переключателя располагаются все ближе и ближе друг к другу.

На выставке OFC в этом году такие крупные компании, как Intel и Cisco, представили продукты CPO A-типа. CPO типа A характеризуется тем, что чип и оптический модуль являются полностью стандартизированными и независимыми компонентами, совместно упакованными на подложке печатной платы. Расстояние между оптическим механизмом и чипом находится в пределах 10 см, а oDSP исключается.

На выставке OFC компания Broadcom продемонстрировала свой коммутатор Bailly 51.2T, использующий решение CPO B-типа, с 8 оптическими модулями 6.4T-FR4 Bailly SCIP и оптоволоконными разъемами Broadcom (BFC). Разница с CPO A-типа незначительна — ASIC и оптический модуль по-прежнему относительно развязаны, но внедрена технология упаковки на уровне пластины, позволяющая сблизить два компонента на расстоянии всего в несколько сантиметров.

Корпус 3D CPO C-типа представляет собой совершенную форму CPO, по-настоящему объединяющую кремниевый фотонный чип с другими голыми кристаллами (такими как графический процессор, Lanswitch, HBM и т. д.) в одном большом корпусе.

Одной из целей CPO является снижение энергопотребления. Как показано на рисунке 2, энергопотребление оптического модуля 400G ZR в основном сосредоточено в DSP. Так что, будь то CPO или LPO, обсуждаемый позже, основная идея заключается в устранении DSP.

Однако мы не можем сказать, что у CPO нет DSP. Чтобы реализовать высокоскоростную модуляцию/демодуляцию, кодирование/декодирование и компенсацию сигнала, CPO по-прежнему необходимо интегрировать функции DSP или тесно сотрудничать с чипом с возможностями DSP. В решении CPO DSP либо непосредственно интегрирован в микросхему внутри корпуса, либо тесно подключен через чрезвычайно компактное и эффективное соединение для достижения необходимых функций обработки сигналов.

Что такое технология ЛОПО

LPO, или подключаемая оптика с линейным приводом, представляет собой технологию упаковки оптических модулей. Будь то CPO или LPO, одной из основных целей по сравнению с традиционными оптическими модулями является снижение энергопотребления, а энергопотребление DSP является самым высоким среди всего модуля.

Для LPO ключевой характеристикой является устранение DSP. В канале передачи данных используются только линейные аналоговые компоненты без какой-либо конструкции CDR или DSP. Он заменяет DSP микросхемой трансимпедансного усилителя (TIA) и драйвера (DRIVER), которые обладают высокой линейностью и возможностями выравнивания.

В 112 году ODCC выпустила официальный документ по применению оптических модулей 2023G LPO. модуль ЛПО заключается в следующем:

• Удаляет компоненты повторного таймера CDR/oDSP.
• Использует чипы TIA и DRIVER с более высокой производительностью и более сильными возможностями компенсации SI.
• Интегрирует некоторые функции компенсации в микросхему ASIC сетевого устройства.
• Регенерация сигнала и компенсация цифрового сигнала, первоначально выполняемые oDSP, теперь разделены между ASIC сетевого устройства, DRIVER и TIA.

По интерфейсам у LPO нет требований к упаковке модуля, будь то QSFP, QSFP-DD, OSFP, OSFPXD или других, могут быть реализованы решения LPO.

В отрасли компании-производители микросхем, которые относительно слабы в области DSP, такие как Macom, Semtech и Maxlinear, активно продвигают LPO. Основная причина в том, что они надеются обойти недостатки DSP с помощью решения LPO. В настоящее время стандартизация решений LPO еще не развита, в основном это касается электрического и оптического интерфейса.

Электрический интерфейс в основном представляет собой протокол CEI-112G-Linear-PAM4 OIF. По состоянию на последнее обновление в апреле 2024 года стандарт CEI-112G-Linear-PAM4 добился значительного прогресса и был принят и внедрен в отрасли, причем такие компании, как Hisense, уже выпускают линейные межблочные оптические кабели 800G на основе этого стандарта.

Что касается оптического интерфейса, протоколы серии IEEE802.3 являются зрелыми и широко используемыми стандартами, и все подключаемые оптические модули типа таймера должны соответствовать этим протоколам. Если LPO сможет соответствовать протоколам 802.3, он сможет достичь истинной «взаимодействия» в самом полном смысле этого слова.

Различия между CPO и LPO

И CPO, и LPO все еще находятся в стадии непрерывного развития. Упаковка CPO и LPO имеет свои характеристики и преимущества. Технология упаковки CPO фокусируется на интегрированной оптико-электрической упаковке, подходящей для высокоскоростных сценариев высокоплотных соединений, в то время как технология упаковки LPO фокусируется на подключаемости и экономической эффективности, подходящей для сценариев передачи на короткие расстояния. В рамках CPO, если системное оборудование выходит из строя, необходимо отключить питание и заменить всю плату, что довольно неудобно для задач по техническому обслуживанию.

Для сравнения, возможность подключения оптических модулей LPO позволяет осуществлять эффективную замену без отключения всей системы, что еще больше повышает общее удобство решения LPO и упрощает прокладку оптоволоконных кабелей и обслуживание оборудования.

В целом, LPO — это эволюционный путь для сменных оптических модулей, более простой в реализации и более надежный по сравнению с решением CPO.

Однако, по мнению некоторых экспертов, технология LPO создает серьезные проблемы при проектировании электрического канала на стороне системы. Текущая основная спецификация SerDes — 112G, которая вскоре будет повышена до 224G. Эксперты полагают, что технология LPO может не соответствовать требованиям 224G SerDes.