وحدة LPO: تمكين التكلفة المنخفضة وزمن الوصول لشبكات 400G و800G

يؤدي إنتاجية البيانات لشرائح التبديل إلى زيادة سرعة SerDes، مما يؤدي أيضًا إلى زيادة استهلاك الطاقة لـ SerDes. SerDes هو المكون الأساسي لأجهزة الشبكة، وهو المسؤول عن توصيل الوحدات الضوئية ورقائق تبديل الشبكة. يقوم بتحويل إخراج البيانات المتوازية بواسطة شريحة التبديل إلى بيانات تسلسلية للإرسال. وفي الطرف المتلقي، يقوم بتحويل البيانات التسلسلية مرة أخرى إلى بيانات متوازية. في عصر 102.4 تيرابت في الثانية، يجب أن تصل سرعة SerDes إلى 224 جيجا بايت، ومن المتوقع أن يصل استهلاك الطاقة لشريحة SerDes إلى 300 واط. نظرًا للقيود المفروضة على تكنولوجيا مواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور، عندما تزيد سرعة SerDes، سيتم تقصير مسافة نقل الإشارة وفقًا لذلك لضمان نقل إشارة عالي الجودة. عندما تصل سرعة SerDes إلى 224G، يمكنها فقط دعم مسافة نقل بحد أقصى 5-6 بوصات، الأمر الذي يتطلب تقصير مسافة التغليف بين شريحة التبديل والوحدة الضوئية.

في الاتجاه الحالي المتمثل في توفير الطاقة وخفض استهلاك الوحدات الضوئية، تبحث الصناعة عن طرق جديدة لتقليل استهلاك الطاقة الإجمالي من المكونات الأساسية الأربعة: المشغل، والمغير، والليزر، والواجهة الكهربائية. عندما يتعلق الأمر بتكنولوجيا التشغيل، فإن نظام LPO مع القيادة الخطية يعني أنه يمكن الاعتماد بالكامل على المكونات التناظرية الخطية في رابط نقل البيانات، دون الحاجة إلى شرائح DSP (معالج الإشارات الرقمية) أو CDR (استعادة بيانات الساعة) الإضافية المعقدة، والتي يمكن أن تتجنب بشكل فعال عبء استهلاك الطاقة الإضافي الناجم عن هذين النوعين من الرقائق.

LPO، أو الوحدة الضوئية القابلة للتوصيل المعتمدة على تقنية شريحة المحرك الخطية، هي ابتكار محسّن لوحدة Ethernet التقليدية القابلة للتوصيل السريع مع تصميم DSP. الشعبية 200 جرام 400غ، وحتى منتجات 800G تستخدم في الغالب تقنية PAM4 جنبًا إلى جنب مع شرائح DSP لتحقيق الاسترداد الدقيق ونقل الإشارات عالية السرعة وعالية الكثافة. على الرغم من أن DSP لديه وظيفة قوية لاستعادة الإشارة، والتي يمكن أن تقلل بشكل فعال من معدل خطأ البت، والتعويض عن التشتت، وتصفية الضوضاء، وقمع التداخل غير الخطي، وغيرها من المشاكل، إلا أنه يواجه تحديًا بسبب تكلفته العالية، وزمن الوصول الكبير، واستهلاك الطاقة العالي، و مشكلة تبديد الحرارة واضحة. في المقابل، تعمل تقنية LPO على تحسين خطية الإشارة بشكل كبير عن طريق اختيار TIA (مضخم المعاوقة) ورقائق التشغيل ذات الأداء الأفضل، وبالتالي التخلص من معالج الإشارة الرقمية في الوحدة عالية السرعة، مما يقلل من استهلاك الطاقة الإجمالي للوحدة، على الرغم من أن هذا التغيير قد تؤثر على معدل خطأ بت النظام والحد الأقصى لأداء مسافة الإرسال إلى حد ما.

في التطبيقات العملية، فإن الإشارة الصادرة من شريحة التبديل الرئيسية إلى الوحدة الضوئية ستنتج حتمًا خسارة، حيث يكون فقدان الإشارة عالية التردد أكثر أهمية من التردد المنخفض. ويحدث هذا النقل على السلك النحاسي الموجود على لوحة PCB، متأثرًا بـ "تأثير الجلد"، مما يؤدي إلى زيادة الفقد الطبيعي. للتعويض عن هذه الخسارة، يتم عادةً استخدام DFE (معادل ردود الفعل للقرار)، وCDR، وطرق التعويض "غير الخطية" الأخرى لتحسين جودة الإشارة. وتستخدم شريحة DSP خوارزمية رقمية متقدمة يمكنها إكمال هذه المهمة بشكل ممتاز، ولكن هذا يعني أيضًا حمل تشغيل غير خطي أعلى، وبالتالي زيادة استهلاك الطاقة وزمن الوصول. الفكرة الأساسية لتقنية LPO هي نقل أعمال إصلاح الإشارة المعقدة التي قام بها DSP في الأصل إلى مستوى نظام التبديل والسماح للوحدة الضوئية نفسها فقط بتكوين CTLE بسيط (معادل خطي مستمر للوقت)، وهو مخصص خصيصًا لتوهين الإشارة الناتج عن خصائص قناة الإرسال لضمان كسب الإشارة في نطاق التيار المستمر والتيار المتردد.

التحدي الرئيسي ل تقنية LPO هو تطوير وتطبيق الرقائق الإلكترونية، والتي هي أكثر ملاءمة لسيناريوهات الاتصال لمسافات قصيرة. وقد قدم كبار موردي الرقائق الإلكترونية العالمية مثل Macom وSemtech وMolex مساهمات مهمة في هذا المجال. نظرًا لأن تقنية LPO تتخلى عن أداء استعادة الإشارة المتقدم الذي يوفره DSP، فإن نطاق تطبيقها يتركز بشكل أساسي على الاتصالات قصيرة المدى داخل مركز البيانات، مثل المسافة بين الخادم والمحول الموجود أعلى الحامل الذي لا يتجاوز 50 مترًا. ومع ذلك، مع تزايد الطلب على 800غ الوحدات الضوئية السريعة، من المتوقع أن تكتسب تقنية LPO حصة أكبر في السوق نظرًا لخصائصها الممتازة في توفير الطاقة ومزايا التكلفة. وفي الوقت نفسه، فإن التحسين المستمر للخطية لرقائق TIA وDriver سيزيد من تعزيز سلامة إشارة LPO. إذا كان من الممكن مطابقة DSP أقوى عند نهاية شريحة التبديل، فمن الناحية النظرية يمكن أن يقلل بشكل أفضل من فقدان الإشارة في عملية نقل الارتباط، وبالتالي توسيع إمكانات تطبيق تقنية LPO تدريجيًا في الإرسال لمسافات طويلة عالي السرعة مع الحفاظ على الطاقة المنخفضة ميزة الاستهلاك.