ما هي الاختلافات بين CPO وLPO

الوحدات الضوئية التقليدية مستقلة عن تبديل ASIC ومتصلة بمكونات إلكترونية أخرى من خلال الكابلات النحاسية أو الألياف الضوئية. غالبًا ما يؤدي هذا الأسلوب إلى استهلاك كبير للطاقة وفقدان الإشارة أثناء نقل البيانات بسرعة عالية. وعلى وجه الخصوص، مع تقدم سرعات الشبكة من 400 جيجا بايت إلى 800 جيجا بايت وحتى 1.6 جيجا بايت، ومن المتوقع أن تصل إلى 3.2 جيجا بايت قريبًا، أصبح تحدي استهلاك الطاقة أكثر وضوحًا.

يبلغ استهلاك الطاقة لوحدات SFP حوالي 2 وات، وعادةً ما تتراوح الوحدات الضوئية 100 جيجا من 1.5 وات إلى 3 وات، 400 جرام QSFP-DD DR4 يمكن التحكم في الوحدات الضوئية ضمن 12 واط، وتتراوح الوحدات الضوئية 800 جيجا من 12 واط إلى 16 واط.

مع زيادة معدلات البيانات، ارتفع استهلاك الطاقة للوحدات الضوئية الفردية خطيًا، مما أدى إلى زيادة كبيرة في استهلاك طاقة النظام الإجمالي.

من منظور تعبئة الجهاز، عندما يتضاعف معدل الإشارة من 56 جيجابت في الثانية إلى 112 جيجابت في الثانية، فإن فقدان إدخال آثار PCB منخفضة الخسارة، حتى مع مواد PCB المتقدمة، سوف يتضاعف أيضًا تقريبًا لطول تتبع معين.

بشكل عام، كلما كانت القناة الكهربائية أقصر وقل عدد التحويلات الوسيطة (المنافذ والموصلات)، أصبح من الأسهل إدارة مشكلات سلامة الإشارة. وقد أدى هذا إلى دفع الاتجاه نحو دمج الأجهزة البصرية بشكل أقرب إلى ASIC، والذي يمكن أن يقلل بشكل فعال من استهلاك الطاقة.

وقد ظهر حلان رئيسيان بناءً على هذا المبدأ:

• البصريات المعبأة بشكل مشترك (CPO): يتم تجميع المكونات الضوئية والكهربائية بشكل مشترك.
• الضوئية الخطية الضوئية (LPO): وحدات قابلة للتوصيل مع محركات بصرية خطية.

يتم توضيح التطور من الوحدات القابلة للتوصيل إلى CPO وLPO في الرسم البياني.

ما هي البصريات المعبأة بشكل مشترك (CPO)؟

كما ذكرنا سابقًا، تكون الوحدات الضوئية التقليدية مستقلة عن تبديل ASIC ومتصلة بمكونات إلكترونية أخرى من خلال الكابلات النحاسية أو الألياف الضوئية. غالبًا ما يؤدي هذا الأسلوب إلى استهلاك كبير للطاقة وفقدان الإشارة أثناء نقل البيانات بسرعة عالية.

CPO هو الحل لمعالجة هذه المشكلة. من خلال التعبئة المشتركة للوحدة الضوئية وجهاز التبديل ASIC معًا بشكل وثيق، يمكن تقليل مسافة تحويل الإشارة بين المجالات الكهربائية والبصرية، بالإضافة إلى مسافة الإرسال بشكل كبير. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير، وتحسين سلامة الإشارة، وتقليل زمن الوصول، مع تقليل البصمة الإجمالية أيضًا.

يوضح الرسم البياني أدناه التطور من DACs التقليدية القائمة على النحاس والأجهزة الضوئية القابلة للتوصيل إلى الأجهزة الضوئية المدمجة ثلاثية الأبعاد في CPO.

كما ترون من الرسم البياني أعلاه، فهي ليست عملية من خطوة واحدة عندما يتعلق الأمر بكيفية تقليل المسافة الخطية للاتصال، بدءًا من بصريات NPO القريبة من الحزمة ثم CPO.

يقوم NPO بفصل المحرك البصري عن شريحة التبديل ثم يقوم بتجميعهما على نفس لوحة النظام.

من ناحية أخرى، يقوم CPO بتجميع شريحة التبديل والمحرك البصري مباشرة في فتحة واحدة، مما يحقق التغليف المشترك للرقاقة والوحدة.

بالمقارنة مع NPO، فإن وحدة CPO أقرب إلى المضيف ASIC، مما يتيح تقليل فقدان القناة واستهلاك الطاقة.

حاليًا، هناك ثلاث مراحل لتغليف CPO (Chip-Photonics Optics):

A-type CPO (المقابلة للمرحلة الرابعة من الأعلى إلى الأسفل في الشكل 4 – 3D CPO)

B-type CPO (المقابلة للمرحلة الخامسة من الأعلى إلى الأسفل في الشكل 5 – 3D Chiplet CPO)

C-type CPO (المقابلة للمرحلة السادسة من الأعلى إلى الأسفل في الشكل 6 – 3D CPO)

من النوع A إلى النوع C، الميزة الرئيسية هي أن المحرك البصري والمفتاح ASIC يتم وضعهما بالقرب من بعضهما البعض.

في معرض OFC لهذا العام، عرضت شركات كبرى مثل Intel وCisco منتجات CPO من النوع A. يتميز CPO من النوع A بكون الرقاقة والوحدة الضوئية عبارة عن مكونات موحدة ومستقلة تمامًا، ويتم تجميعها معًا على ركيزة PCB. المسافة بين المحرك البصري والرقاقة هي في حدود 10 سم، ويتم التخلص من oDSP.

في OFC، عرضت Broadcom محول Bailly 51.2T باستخدام حل CPO من النوع B، مع 8 محركات بصرية 6.4T-FR4 Bailly SCIP وموصلات ألياف Broadcom (BFC). الفرق عن CPO من النوع A ليس كبيرًا - لا يزال ASIC والوحدة الضوئية منفصلين نسبيًا، ولكن تم تقديم تقنية التغليف على مستوى الرقاقة لتقريب المكونين، بمسافة بضعة سنتيمترات فقط.

تعد عبوة C-type 3D CPO هي الشكل النهائي لـ CPO، حيث تدمج حقًا شريحة الضوئيات السيليكونية مع القوالب العارية الأخرى (مثل GPU، وLanswitch، وHBM، وما إلى ذلك) في حزمة واحدة كبيرة.

أحد أهداف CPO هو تقليل استهلاك الطاقة. كما هو موضح في الشكل 2، فإن استهلاك الطاقة للوحدة الضوئية 400G ZR يتركز في الغالب في معالج الإشارة الرقمية. لذا، سواء أكان الأمر يتعلق بـ CPO أو LPO الذي تمت مناقشته لاحقًا، فإن التصميم الأساسي هو التخلص من DSP.

ومع ذلك، لا يمكننا القول أن CPO ليس لديه DSP. لتحقيق تعديل/إزالة تشكيل الإشارة عالية السرعة، والتشفير/فك التشفير، وتعويض الإشارة، لا يزال CPO بحاجة إلى دمج وظيفة DSP أو العمل بشكل وثيق مع شريحة تتمتع بقدرات DSP. في حل CPO، يتم دمج DSP مباشرة على شريحة داخل الحزمة، أو يتم توصيله بإحكام من خلال اتصال مدمج وفعال للغاية لتحقيق وظائف معالجة الإشارة المطلوبة.

ما هي تقنية LPO

LPO، أو البصريات القابلة للتوصيل ذات المحرك الخطي، هي تقنية تعبئة الوحدات الضوئية. سواء كان CPO أو LPO، فإن أحد الأهداف الرئيسية مقارنة بالوحدات الضوئية التقليدية هو تقليل استهلاك الطاقة، واستهلاك الطاقة لـ DSP هو الأعلى بين الوحدة بأكملها.

بالنسبة لـ LPO، السمة الرئيسية هي التخلص من DSP. يستخدم رابط البيانات فقط المكونات التناظرية الخطية، دون أي تصميم CDR أو DSP. إنه يستبدل DSP بمضخم Transimpedance (TIA) وشريحة Driver (DRIVER) التي تتمتع بقدرات خطية ومعادلة عالية.

أصدر ODCC ورقة بيضاء حول تطبيقات الوحدة الضوئية 112G LPO في عام 2023. تصميم وحدة LPO هو كما يلي:

• يزيل مكونات إعادة توقيت CDR/oDSP
• يستخدم رقائق TIA وDRIVER بأداء أفضل وقدرات تعويض SI أقوى
• يدمج بعض وظائف التعويض في شريحة ASIC لجهاز الشبكة
• تم الآن تقسيم عملية تجديد الإشارة وتعويض الإشارة الرقمية التي تم إجراؤها في الأصل بواسطة oDSP بين جهاز الشبكة ASIC وDRIVER وTIA.

فيما يتعلق بالواجهات، لا يوجد لدى LPO أي متطلبات لتغليف الوحدة، سواء كانت QSFP أو QSFP-DD أو OSFPأو OSFPXD أو غيرها، يمكن تنفيذ حلول LPO.

في الصناعة، تعمل شركات الرقائق الضعيفة نسبيًا في DSP، مثل Macom وSemtech وMaxlinear، على الترويج بنشاط لـ LPO. السبب الرئيسي هو أنهم يأملون في تجاوز أوجه القصور في DSP من خلال حل LPO. في الوقت الحالي، لم ينضج توحيد حل LPO بعد، ويشتمل بشكل أساسي على الواجهة الكهربائية والواجهة البصرية.

الواجهة الكهربائية هي بشكل أساسي بروتوكول CEI-112G-Linear-PAM4 الخاص بالمنظمة الدولية للفرانكفونية. اعتبارًا من التحديث الأخير في أبريل 2024، حقق معيار CEI-112G-Linear-PAM4 تقدمًا كبيرًا وتم اعتماده وتنفيذه من قبل الصناعة، حيث أطلقت شركات مثل Hisense بالفعل كابلات ضوئية خطية متصلة 800G بناءً على هذا المعيار.

بالنسبة للواجهة البصرية، تعد بروتوكولات سلسلة IEEE802.3 معايير ناضجة ومستخدمة على نطاق واسع، وتحتاج جميع الوحدات الضوئية القابلة للتوصيل من نوع الموقت إلى الامتثال لهذه البروتوكولات. إذا تمكن LPO من الامتثال لبروتوكولات 802.3، فيمكنه تحقيق "قابلية التشغيل البيني" الحقيقية بالمعنى الكامل.

الاختلافات بين CPO وLPO

لا يزال كل من CPO وLPO قيد التطوير المستمر. تتميز كل من عبوات CPO وLPO بخصائصها ومزاياها. تركز تقنية تعبئة CPO على التغليف الكهربائي البصري المتكامل، المناسب لسيناريوهات التوصيل البيني عالية السرعة والكثافة، بينما تركز تقنية تعبئة LPO على قابلية التوصيل وفعالية التكلفة، ومناسبة لسيناريوهات النقل لمسافات قصيرة. ضمن إطار عمل CPO، إذا تعطلت معدات النظام، فيجب تشغيل الطاقة off ويجب استبدال اللوحة بأكملها، وهو أمر غير مناسب تمامًا لمهام الصيانة.

وبالمقارنة، تسمح إمكانية توصيل الوحدات الضوئية LPO بالاستبدال الفعال دون إيقاف تشغيل النظام بأكمله، مما يزيد من تعزيز الراحة العامة لحل LPO وتبسيط كابلات الألياف وصيانة المعدات.

بشكل عام، يعد LPO مسارًا تطوريًا للوحدات الضوئية القابلة للتوصيل، وهو أسهل في التنفيذ وبقدر أكبر من اليقين مقارنة بحل CPO.

ومع ذلك، وفقًا لبعض الخبراء، تقدم تقنية LPO تحديات تصميمية مهمة للقناة الكهربائية من جانب النظام. مواصفات SerDes السائدة الحالية هي 112G، والتي سيتم ترقيتها قريبًا إلى 224G. يعتقد الخبراء أن تقنية LPO قد لا تكون قادرة على تلبية متطلبات 224G SerDes.