Что такое модуль оптического приемопередатчика LPO?

В последние годы индустрия оптической связи стремительно развивается. Благодаря 5G и искусственному интеллекту технологии оптической связи достигли больших прорывов, а оптическая инфраструктура также совершила качественный скачок. Особенно в этом году стала популярной большая модель AIGC, а также развитие интеллектуальных вычислений и суперкомпьютеров, что привело к новой волне бума развития оптической связи. Магистральная сеть 400G скоро будет полностью развернута, а центры обработки данных 800G и 1.6T также готовы попробовать.

Проблемы эволюции оптической связи

На самом деле, технологическая итерация оптической связи — это не просто удвоение числа.

После перехода на стадию 400G нам необходимо решить не только повышение скорости, но и проблемы энергопотребления и стоимости, связанные с высокой скоростью. Повышение скорости похоже на доставку грузовиком. Когда груз становится все тяжелее и тяжелее, нужно модернизировать двигатель. Чем больше объем двигателя, тем выше расход топлива, а также увеличивается цена двигателя и стоимость топлива.

В качестве примера возьмем оптические модули.

Оптические модули, как ключевое устройство оптических сетей и наиболее часто используемое устройство, всегда находились в центре внимания отрасли. Его энергопотребление и цена тесно связаны с намерением пользователя совершить покупку.

Еще в 2007 году мощность 10-гигабитного (10 Гбит/с) оптического модуля составляла всего около 1 Вт.

С появлением 40G, 100G, 400G и 800G энергопотребление оптических модулей резко возросло и достигло 30 Вт.

Важно понимать, что коммутатор может иметь более одного оптического модуля. При полной загрузке оптических модулей зачастую десятки (если их 48, то это 48х30=1440Вт).

Вообще говоря, энергопотребление оптических модулей составляет около 40% и более от энергопотребления всей машины. Это означает, что потребляемая мощность всей машины, скорее всего, превысит 3000 Вт.

Резкий рост энергопотребления оборудования оптической связи также оказывает огромное давление на энергопотребление и стоимость всего центра обработки данных, что наносит серьезный ущерб целям достижения пика выбросов углерода и углеродной нейтральности сетей связи.

По сравнению с 2010 годом энергопотребление оптических устройств увеличится в 26 раз.

Чтобы решить проблему энергопотребления, вызванную ростом скорости оптической связи, отрасль провела множество технических исследований.

Одним из решений является CPO, популярный в прошлом году. В этом году, помимо CPOПромышленность выдвинула новую программу – LPO.

Что такое ЛПО

LPO, полное название английского Linear-drive Pluggable Optics.

Как видно из названия, это технология упаковки оптических модулей.

Как показано на рисунке ниже, на коммутаторе есть порты оптических модулей, вставьте в них соответствующий оптический модуль, а затем можно подключить волокно. Если он сломан, его также можно заменить.

В LPO подчеркивается слово «вставной», чтобы отличить его от решения CPO, в котором оптические модули не являются вставными. Оптический модуль (оптический двигатель) перенесен ближе к микросхеме коммутации и непосредственно «привязан» к ней.

Ключевым отличием LPO от традиционных оптических модулей является линейный привод.

Так называемый «линейный привод» означает, что LPO использует технологию линейного прямого привода, а в оптическом модуле отменен чип DSP (цифровая обработка сигналов) / CDR (восстановление тактовых данных).

Так что же такое линейный прямой привод, какова роль DSP и почему от него можно отказаться? Почему его можно отменить? Каковы последствия удаления?

Начнем с базовой архитектуры оптического модуля.

Передача оптического модуля, то есть процесс преобразования электрических сигналов в оптические сигналы, оптических сигналов в электрические сигналы.

На передающей стороне сигнал проходит через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует его из цифрового сигнала в аналоговый. На приемной стороне аналоговый сигнал проходит аналого-цифровое преобразование (АЦП) и снова становится цифровым.

После одной операции полученный цифровой сигнал немного беспорядочный и искаженный. В это время возникла необходимость в DSP, «ремонте» цифрового сигнала.

DSP — это чип, управляющий алгоритмами. Он имеет функцию восстановления цифровых часов и функцию компенсации дисперсии (для удаления шума, нелинейных помех и других факторов), может бороться с искажениями и компенсировать их, а также уменьшать искажения, влияющие на BER системы.

(Примечание: DSP доступен не во всех традиционных оптических модулях. Однако в высокоскоростных оптических модулях требования к сигналу высоки, поэтому DSP в основном необходим.)

Помимо DSP, основные электрические микросхемы в оптических модулях включают драйвер лазера (LDD), трансимпедансный усилитель (TIA), ограничительный усилитель (LA) и микросхему синхронизации и восстановления данных (CDR).

CDR также используется для восстановления данных. Он извлекает последовательность данных из полученного сигнала и восстанавливает сигнал тактовой синхронизации, соответствующий последовательности данных, восстанавливая таким образом конкретную полученную информацию.

DSP очень мощный. Однако он также имеет высокое энергопотребление и стоимость.

Например, в Оптический модуль 400G, используется 7-нм DSP, потребляемая мощность составляет около 4 Вт, что составляет около 50% энергопотребления всего модуля.

С точки зрения затрат стоимость DSP в оптическом модуле 400G составляет около 20–40%.

Решение LPO состоит в том, чтобы убрать чип DSP/CDR из оптического модуля и интегрировать соответствующие функции в чип переключения на стороне устройства.

В оптическом модуле оставлены только Driver (Driver Chip) и TIA (Trans-Impedance Amplifier) ​​с высокой линейностью, а для компенсации высоких частот интегрированы функции CTLE (Continious Time Linear Equalization) и EQ (Equalization, Equalization) соответственно. -скоростные сигналы в определенной степени. Функции эквалайзера интегрированы для компенсации высокоскоростных сигналов в определенной степени.

Преимущества ЛПО

Преимущества LPO суммируются как низкое энергопотребление, низкая стоимость, низкая задержка и простота обслуживания.

Низкое энергопотребление

Без DSP энергопотребление наверняка снизится.

По данным Macom, потребляемая мощность многомодового оптического модуля 800G с функцией DSP может превышать 13 Вт, в то время как потребляемая мощность 800G многомодовый оптический модуль, использующий технологию MACOM PURE DRIVE, имеет мощность менее 4 Вт.

Бюджетный

Это само собой разумеющееся. Как упоминалось ранее, стоимость спецификации DSP составляет около 20-40%, что исключается. Драйвер и TIA интегрируют эквалайзер, что немного увеличивает стоимость, но общая стоимость все равно снижается. Согласно отраслевому анализу: стоимость спецификации оптического модуля 800G составляет около 600-700 долларов США, а стоимость чипа DSP - около 50-70 долларов США. Драйвер и TIA интегрируют функционал эквалайзера, что увеличивает стоимость на 3-5 долларов США. Подсчитанная таким образом общая стоимость системы может быть снижена примерно на 8%, примерно на 50-60 долларов США. Стоит отметить, что DSP также является технологией, освоенной несколькими производителями, такими как Broadcom и Inphi. Отмена DSP также в некоторой степени снижает зависимость от нескольких производителей.

Низкая задержка

Без DSP сокращается один этап обработки, а также снижается задержка передачи данных. Это преимущество особенно важно для сценариев ИИ-вычислений и суперкомпьютеров.

Простота обслуживания

Это относительно решения CPO. В решении CPO, если какое-либо устройство в системе выходит из строя, вам придется отключать питание и заменять всю плату, что очень неудобно для обслуживания. Упаковка LPO не претерпела существенных изменений, поддерживает горячую замену, упрощает оптоволоконную проводку и обслуживание оборудования, а также более удобна в использовании.

Текущие проблемы ПОЛ

Короткое расстояние связи

За удаление DSP приходится платить. TIA и микросхемы драйверов не могут полностью заменить DSP, поэтому частота битовых ошибок в системе возрастет. При более высокой частоте битовых ошибок расстояние передачи, естественно, будет короче. В отрасли обычно считают, что LPO подходит только для определенных сценариев применения на коротких расстояниях. Например, соединение между серверами и коммутаторами внутри шкафов центра обработки данных, а также соединение между шкафами центра обработки данных. Первоначальная разработка ЛПО может соединять расстояния от нескольких метров до десятков метров. В будущем его могут расширить до 500 метров.

Стандартизация только начинается

В настоящее время стандартизация LPO все еще находится на ранней стадии, и могут возникнуть некоторые проблемы с функциональной совместимостью. Предприятиям, если они примут LPO, необходимо обладать определенными техническими возможностями, уметь формулировать технические спецификации и решения, иметь возможность исследовать граничные условия устройств и модулей и иметь возможность проводить большое количество тестов интеграции и совместимости.

Другими словами, LPO в настоящее время больше подходит для относительно закрытых систем с одним поставщиком. Если используются несколько поставщиков и у них нет сил их контролировать, могут возникнуть такие проблемы, как «трудно определить проблемы, взаимное уклонение», что хуже, чем использование традиционных решений DSP.

Кроме того, некоторые эксперты отмечают, что LPO создает некоторые проблемы при проектировании электрических каналов на стороне системы. Текущая основная спецификация SerDes — 112G, которая вскоре будет повышена до 224G. Эксперты полагают, что LPO не сможет удовлетворить требования 224G SerDes.

Прогресс индустриализации ЛПО

Решения LPO действительно предлагались некоторыми компаниями и раньше, но они не дали никаких результатов из-за технических ограничений. На конференции OFC в этом году LPO был предложен снова и вскоре оказался в центре внимания отрасли.    

AWS, Meta, Microsoft, Google и другие крупные клиенты международного рынка выразили интерес к LPO. Многие гиганты оптической связи также вложили ресурсы в исследования и разработки. В настоящее время FiberMall запустила решение 800G LPO.

В последнее время некоторые компании должны были добиться мелкосерийных поставок. Ключом к решению LPO является чип. Основными поставщиками высоколинейных TIA & Driver являются Macom, Semtech, Maxlinear и другие.

По прогнозам, LPO достигнет масштабной коммерциализации к 2024 году. Более оптимистичные институты отрасли полагают, что LPO может занять половину доли рынка в будущем. Более консервативные институты полагают, что к 30 году доля CPO/LPO достигнет около 2026%.

Заключение

ПОЛ — это технология, которая балансирует и идет на компромисс. Он адаптируется к конкретному сценарию приложения (короткое расстояние) и отказывается от DSP/CDR, что приводит к небольшой потере производительности (частота битовых ошибок). Однако это также снижает энергопотребление, стоимость и задержку. Он имеет другие преимущества и недостатки, чем CPO. Хотя он появился позже, чем CPO, он будет развернут быстрее, чем CPO.

Следуя нынешней тенденции, LPO станет наиболее потенциальным технологическим путем в эпоху 800G. По мере развития волны AIGC оптическая сеть центров обработки данных будет развиваться до 800G. Приближается золотой век ПОЛ.