ما هي وحدة الإرسال والاستقبال الضوئية LPO؟

في السنوات الأخيرة، تطورت صناعة الاتصالات البصرية بسرعة. بفضل تقنية الجيل الخامس والذكاء الاصطناعي، حققت تكنولوجيا الاتصالات البصرية اختراقات كبيرة، كما حققت البنية التحتية البصرية قفزة نوعية. خاصة هذا العام، أصبح نموذج AIGC الكبير شائعًا، وارتفعت الحوسبة الذكية والحوسبة الفائقة، مما أدى إلى موجة جديدة من ازدهار تطوير الاتصالات البصرية. الشبكة الأساسية 5G على وشك أن يتم نشرها بالكامل، كما أن مراكز البيانات 400G و800T حريصة أيضًا على المحاولة.

تحديات تطور الاتصالات البصرية

في الواقع، التكرار التكنولوجي للاتصالات البصرية ليس مجرد مضاعفة الأرقام.

بعد الدخول في مرحلة 400G، يتعين علينا حل ليس فقط تحسين السرعة ولكن أيضًا مشكلات استهلاك الطاقة والتكلفة الناجمة عن السرعة العالية. تحسين السرعة يشبه تسليم الشاحنات. عندما تصبح البضائع أثقل وأثقل، تحتاج إلى ترقية المحرك. كلما زادت إزاحة المحرك، زاد أيضًا استهلاك الوقود وسعر المحرك وتكلفة الوقود.

نحن نأخذ الوحدات البصرية كمثال.

باعتبارها جهازًا رئيسيًا للشبكات الضوئية والجهاز الأكثر استخدامًا، كانت الوحدات الضوئية دائمًا محط اهتمام الصناعة. يرتبط استهلاكها للطاقة وسعرها ارتباطًا وثيقًا بنية شراء المستخدم.

في عام 2007، كانت الوحدة الضوئية بسرعة 10 جيجابت (10 جيجابت في الثانية) تبلغ حوالي 1 واط فقط من الطاقة.

مع 40G، 100G، 400G، و800G، ارتفع استهلاك الطاقة للوحدات الضوئية بشكل كبير، ليصل إلى 30W.

من المهم أن ندرك أن المحول يمكن أن يحتوي على أكثر من وحدة بصرية واحدة. إذا تم تحميلها بالكامل، فغالبًا ما يكون هناك العشرات من الوحدات الضوئية (إذا كان هناك 48 منها، فهي 48×30=1440 واط).

بشكل عام، يمثل استهلاك الطاقة للوحدات الضوئية حوالي 40% أو أكثر من استهلاك الطاقة للجهاز بأكمله. وهذا يعني أن استهلاك الطاقة للجهاز بأكمله من المرجح أن يتجاوز 3000 واط.

كما أن الزيادة في استهلاك الطاقة لمعدات الاتصالات البصرية تضع ضغطًا هائلاً على استهلاك الطاقة وتكلفة مركز البيانات بأكمله، وهو ما يضر بشدة بأهداف ذروة الكربون وحياد الكربون لشبكات الاتصالات.

وبالمقارنة مع عام 2010، فإن استهلاك الطاقة للأجهزة البصرية سيزيد 26 مرة.

من أجل حل مشكلة استهلاك الطاقة الناجمة عن ارتفاع معدل الاتصالات البصرية، قامت الصناعة بالكثير من الاستكشافات التقنية.

يعد CPO، الذي كان شائعًا في العام الماضي، أحد الحلول. هذا العام بالإضافة إلى إدارة الموارد البشرية، طرحت الصناعة برنامجًا جديدًا – LPO.

ما هو LPO

LPO، الاسم الكامل للغة الإنجليزية يسمى Linear-drive Pluggable Optics.

وكما يتضح من الاسم، فهي عبارة عن تقنية تعبئة الوحدات الضوئية.

كما هو موضح في الشكل أدناه، توجد منافذ للوحدة الضوئية على المفتاح، وأدخل الوحدة الضوئية المقابلة فيها، ومن ثم يمكنك توصيل الألياف. إذا تم كسره، فيمكن استبداله أيضًا.

يركز LPO على "قابل للتوصيل" لتمييزه عن حل CPO، حيث تكون الوحدات الضوئية غير قابلة للتوصيل. يتم نقل الوحدة الضوئية (المحرك البصري) بالقرب من شريحة التبديل ويتم "ربطها" بها مباشرة.

الفرق الرئيسي بين LPOs والوحدات البصرية التقليدية هو محرك الأقراص الخطي.

يعني ما يسمى بـ "المحرك الخطي" أن LPO يعتمد تقنية المحرك المباشر الخطي، ويتم إلغاء شريحة DSP (معالجة الإشارات الرقمية) / CDR (استعادة بيانات الساعة) في الوحدة الضوئية.

إذن ما هو محرك الأقراص المباشر الخطي، وما هو دور DSP، ولماذا يمكن التخلص منه؟ لماذا يمكن إلغاؤها؟ ما هو تأثير الإزالة؟

لنبدأ بالبنية الأساسية للوحدة البصرية.

نقل الوحدة الضوئية، أي عملية تحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية، والإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية.

في نهاية الإرسال، تمر الإشارة عبر محول رقمي إلى تناظري (DAC)، والذي يغيرها من إشارة رقمية إلى إشارة تناظرية. عند الطرف المتلقي، تمر الإشارة التناظرية عبر التحويل التناظري إلى الرقمي (ADC) وتصبح رقمية مرة أخرى.

بعد عملية واحدة، تصبح الإشارة الرقمية التي تم الحصول عليها فوضوية ومشوهة بعض الشيء. في هذا الوقت، هناك حاجة إلى DSP، "إصلاح" الإشارة الرقمية.

DSP عبارة عن خوارزميات تشغيل الشريحة. يحتوي على وظيفة استعادة الساعة الرقمية، ووظيفة تعويض التشتت (لإزالة الضوضاء، والتداخل غير الخطي، وعوامل أخرى)، يمكنها محاربة التشويه وتعويضه، وتقليل التشويه على تأثير BER للنظام.

(ملاحظة: معالج الإشارة الرقمي (DSP) غير متوفر في جميع الوحدات الضوئية التقليدية. ومع ذلك، في الوحدات الضوئية عالية السرعة، تكون متطلبات الإشارة عالية، لذلك هناك حاجة إلى معالج الإشارة الرقمي (DSP) بشكل أساسي.)

بالإضافة إلى DSP، تشتمل الرقائق الكهربائية الرئيسية في الوحدات الضوئية على محرك الليزر (LDD)، ومضخم المعاوقة (TIA)، ومضخم الحد (LA)، ورقاقة الساعة واستعادة البيانات (CDR).

يستخدم CDR أيضًا لاستعادة البيانات. فهو يستخرج تسلسل البيانات من الإشارة المستقبلة ويستعيد إشارة توقيت الساعة المقابلة لتسلسل البيانات، وبالتالي استعادة المعلومات المحددة المستلمة.

DSP قوي جدًا. ومع ذلك، فهي تتميز أيضًا باستهلاك عالي للطاقة وتكلفة عالية.

على سبيل المثال، في وحدة بصرية 400G، 7nm DSP المستخدم، استهلاك الطاقة حوالي 4 واط، وهو ما يمثل حوالي 50% من استهلاك الطاقة للوحدة بأكملها.

من منظور التكلفة، تمثل تكلفة BOM (قائمة المواد) لـ DSP في الوحدة الضوئية 400G حوالي 20-40%.

يتمثل حل LPO في إخراج شريحة DSP/CDR الموجودة في الوحدة الضوئية ودمج الوظائف ذات الصلة في شريحة التبديل الموجودة على جانب الجهاز.

في الوحدة الضوئية، لم يتبق سوى برنامج التشغيل (شريحة التشغيل) وTIA (مضخم المعاوقة) بخطية عالية، وتم دمج وظائف CTLE (المعادلة الخطية للوقت المستمر) وEQ (المعادلة، المعادلة)، على التوالي، لتعويض الطاقة العالية. - إشارات السرعة إلى حد معين. يتم دمج وظائف المعادلة للتعويض عن الإشارات عالية السرعة إلى حد ما.

مزايا LPO

تتلخص مزايا LPOs في انخفاض استهلاك الطاقة، والتكلفة المنخفضة، وزمن الوصول المنخفض، وسهولة الصيانة.

انخفاض استهلاك الطاقة

وبدون DSP، فإن استهلاك الطاقة ينخفض ​​بالتأكيد.

وفقًا لبيانات Macom، يمكن أن يتجاوز استهلاك الطاقة لوحدة بصرية متعددة الأوضاع 800G مع وظيفة DSP 13 وات، في حين أن استهلاك الطاقة لـ 800غ الوحدة الضوئية متعددة الأوضاع التي تستخدم تقنية MACOM PURE DRIVE أقل من 4 وات.

تكلفة منخفضة

وهذا أمر بديهي. كما ذكرنا سابقًا، تبلغ تكلفة قائمة مكونات الصنف لـ DSP حوالي 20-40%، والتي تم حذفها. يقوم السائق و TIA بدمج EQ، مما يزيد التكلفة قليلاً، لكن التكلفة الإجمالية لا تزال منخفضة. وفقًا لتحليل الصناعة: في الوحدة الضوئية 800G، تبلغ تكلفة BOM حوالي 600-700 دولار أمريكي، وتكلفة شريحة DSP حوالي 50-70 دولارًا أمريكيًا. يقوم برنامج التشغيل وTIA بدمج وظيفة EQ، مما يزيد التكلفة بمقدار 3-5 دولارات أمريكية. وبحسابها بهذه الطريقة، يمكن تقليل التكلفة الإجمالية للنظام بحوالي 8%، أي حوالي 50-60 دولارًا أمريكيًا. ومن الجدير بالذكر أن DSP هي أيضًا تقنية يتقنها عدد قليل من الشركات المصنعة مثل Broadcom وInphi. يؤدي إلغاء DSP أيضًا إلى تقليل الاعتماد على عدد قليل من الشركات المصنعة إلى حد ما.

الكمون المنخفض

بدون DSP، يتم تقليل خطوة معالجة واحدة، كما يتم تقليل زمن انتقال البيانات. هذه الميزة مهمة بشكل خاص لسيناريوهات حوسبة الذكاء الاصطناعي والحوسبة الفائقة.

سهولة الصيانة

هذا يتعلق بحل CPO. في حل CPO، إذا تعطل أي جهاز في النظام، فيجب عليك تشغيله off واستبدال اللوحة بأكملها، وهو أمر غير مناسب للغاية للصيانة. لم تتغير عبوة LPO بشكل كبير، وتدعم التبديل السريع، وتبسط أسلاك الألياف وصيانة المعدات، وهي أكثر ملاءمة للاستخدام.

التحديات الحالية لـ LPO

مسافة اتصال قصيرة

هناك ثمن يجب دفعه مقابل إزالة DSP. لا يمكن لرقائق TIA وبرنامج التشغيل أن تحل محل DSP بالكامل، وبالتالي فإن معدل خطأ البت في النظام سيزداد. ومع ارتفاع معدل الخطأ في البتات، ستكون مسافة الإرسال أقصر بشكل طبيعي. تعتقد الصناعة بشكل عام أن LPO مناسب فقط لسيناريوهات تطبيق محددة للمسافات القصيرة. على سبيل المثال، الاتصال بين الخوادم والمحولات داخل خزائن مركز البيانات، والاتصال بين خزائن مركز البيانات. يمكن للتطوير الأولي لـ LPO توصيل المسافات من بضعة أمتار إلى عشرات الأمتار. وقد يتم تمديده في المستقبل إلى مسافة 500 متر.

التوحيد بدأ للتو

في الوقت الحاضر، لا يزال توحيد LPO في مراحله المبكرة، وقد تكون هناك بعض التحديات في قابلية التشغيل البيني. بالنسبة للمؤسسات، إذا اعتمدت LPO، فإنها تحتاج إلى قدرات تقنية معينة، وتكون قادرة على صياغة المواصفات والحلول الفنية، وتكون قادرة على استكشاف الشروط الحدودية للأجهزة والوحدات وتكون قادرة على إجراء عدد كبير من اختبارات التكامل وقابلية التشغيل البيني.

بمعنى آخر، يعد LPO حاليًا أكثر ملاءمة للأنظمة المغلقة نسبيًا وذات المورد الواحد. إذا تم استخدام عدة موردين وليس لديهم القوة للسيطرة عليهم، فقد تكون هناك مشاكل مثل "صعوبة تحديد المشاكل، والتهرب المتبادل"، وهو أسوأ من استخدام حلول DSP التقليدية.

بالإضافة إلى ذلك، أشار بعض الخبراء إلى أن LPO يجلب بعض التحديات لتصميم القناة الكهربائية من جانب النظام. المواصفات السائدة الحالية لـ SerDes هي 112G، والتي سيتم ترقيتها قريبًا إلى 224G. يعتقد الخبراء أن LPO لا يمكنه مواكبة متطلبات 224G SerDes.

تقدم تصنيع LPO

لقد تم بالفعل اقتراح حلول LPO من قبل بعض الشركات من قبل، لكنها لم تحقق أي نتائج بسبب القيود الفنية. في مؤتمر OFC لهذا العام، تم اقتراح LPO مرة أخرى وسرعان ما أصبح محط اهتمام الصناعة.    

أعربت AWS وMeta وMicrosoft وGoogle وغيرهم من العملاء الرئيسيين في السوق الدولية عن اهتمامهم بـ LPO. كما استثمر العديد من عمالقة الاتصالات البصرية مواردهم في البحث والتطوير. في الوقت الحاضر، أطلقت شركة FiberMall حل 800G LPO.

في الآونة الأخيرة، كان من المفترض أن تكون بعض الشركات قد حققت شحنات صغيرة الحجم. يكمن مفتاح حل LPO في الشريحة. الموردون الرئيسيون لـ TIA & Driver عالي الخطية هم Macom وSemtech وMaxlinear وغيرهم.

وفقًا للتوقعات، ستحقق LPO تسويقًا تجاريًا على نطاق واسع بحلول عام 2024. وتعتقد المؤسسات الأكثر تفاؤلاً في الصناعة أن LPO يمكن أن تشغل نصف حصة السوق في المستقبل. تعتقد المؤسسات الأكثر تحفظًا أن حصة CPO / LPO ستصل إلى حوالي 30٪ بحلول عام 2026.

وفي الختام

LPO هي تقنية تعمل على تحقيق التوازن والتسويات. فهو يتكيف مع سيناريو تطبيق محدد (مسافة قصيرة) ويتخلى عن DSP/CDR، مما يؤدي إلى خسارة طفيفة في الأداء (معدل خطأ البت). ومع ذلك، فهو يقلل أيضًا من استهلاك الطاقة والتكلفة وزمن الوصول. لها مزايا وعيوب مختلفة عن CPO. على الرغم من ظهوره متأخرًا عن CPO، إلا أنه سيتم نشره بشكل أسرع من CPO.

باتباع الاتجاه الحالي، سيكون LPO هو المسار التكنولوجي الأكثر احتمالاً في عصر 800G. مع تقدم موجة AIGC، ستتقدم الشبكة الضوئية لمركز البيانات إلى 800G. العصر الذهبي لـ LPO يقترب.