Was sind die Unterschiede zwischen CPO und LPO?

Herkömmliche optische Module sind unabhängig vom Schalt-ASIC und über Kupferkabel oder Glasfasern mit anderen elektronischen Komponenten verbunden. Dieser Ansatz führt häufig zu einem erheblichen Stromverbrauch und Signalverlust bei der Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung. Insbesondere da die Netzwerkgeschwindigkeiten von 400G auf 800G und sogar 1.6T gestiegen sind und in Kürze 3.2T erreichen sollen, ist die Herausforderung beim Stromverbrauch noch größer geworden.

Der Stromverbrauch von SFP-Modulen liegt bei etwa 2 W, optische 100G-Module liegen typischerweise bei 1.5 W bis 3 W. 400 G QSFP-DD DR4 Optische Module können innerhalb von 12 W gesteuert werden, und optische 800G-Module reichen von 12 W bis 16 W.

Mit steigenden Datenraten steigt der Stromverbrauch einzelner optischer Module linear an, was zu einem deutlichen Anstieg des Gesamtstromverbrauchs des Systems führt.

Aus Sicht der Geräteverpackung verdoppelt sich bei einer Verdoppelung der Signalrate von 56 Gbit/s auf 112 Gbit/s auch die Einfügedämpfung der verlustarmen PCB-Leiterbahnen, selbst bei fortschrittlichen PCB-Materialien, bei einer gegebenen Leiterbahnlänge ungefähr.

Generell gilt: Je kürzer der elektrische Kanal und je weniger Zwischenkonvertierungen (Durchkontaktierungen, Anschlüsse) vorhanden sind, desto einfacher lassen sich Probleme mit der Signalintegrität bewältigen. Dies hat den Trend vorangetrieben, optische Geräte näher am ASIC zu integrieren, wodurch der Stromverbrauch effektiv gesenkt werden kann.

Basierend auf diesem Prinzip haben sich zwei Hauptlösungen herauskristallisiert:

• Co-Packaged Optics (CPO): Optische und elektrische Komponenten werden gemeinsam verpackt.
• Linear Photonic Optical (LPO): Steckbare Module mit linearen optischen Treibern.

Die Entwicklung von steckbaren Modulen zu CPO und LPO ist im Diagramm dargestellt.

Was ist Co-Packaged Optics (CPO)?

Wie bereits erwähnt, sind herkömmliche optische Module unabhängig vom Schalt-ASIC und über Kupferkabel oder Glasfasern mit anderen elektronischen Komponenten verbunden. Dieser Ansatz führt häufig zu einem erheblichen Stromverbrauch und Signalverlust bei der Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung.

CPO ist eine Lösung, um dieses Problem anzugehen. Durch die enge gemeinsame Unterbringung des optischen Moduls und des Schalt-ASIC kann die Entfernung für die Signalumwandlung zwischen elektrischen und optischen Domänen sowie die Übertragungsentfernung erheblich reduziert werden. Dies kann den Stromverbrauch deutlich senken, die Signalintegrität verbessern und die Latenz reduzieren, während gleichzeitig der Gesamt-Footprint reduziert wird.

Das folgende Diagramm veranschaulicht die Entwicklung von herkömmlichen kupferbasierten DACs und steckbaren optischen Geräten zu 3D-integrierten optischen Geräten in CPO.

Wie Sie dem Diagramm oben entnehmen können, handelt es sich bei der Minimierung der linearen Entfernung der Verbindung nicht um einen einstufigen Prozess, der mit NPO-Near-Package-Optiken und dann mit CPO beginnt.

NPO entkoppelt die optische Engine vom Switch-Chip und montiert sie dann auf derselben Systemplatine.

CPO hingegen montiert den Schaltchip und die optische Engine direkt in einem Steckplatz und realisiert so die gemeinsame Verpackung von Chip und Modul.

Im Vergleich zu NPO befindet sich das CPO-Modul näher am Host-ASIC, was einen geringeren Kanalverlust und geringeren Stromverbrauch ermöglicht.

Derzeit gibt es drei Stufen der CPO-Verpackung (Chip-Photonics Optics):

CPO vom Typ A (entspricht der 4. Stufe von oben nach unten in Abbildung 3 – 2.5D CPO)

B-Typ-CPO (entspricht der 5. Stufe von oben nach unten in Abbildung 3 – 2.5D-Chiplet-CPO)

CPO vom Typ C (entspricht der 6. Stufe von oben nach unten in Abbildung 3 – 3D-CPO)

Vom A-Typ bis zum C-Typ besteht das Hauptmerkmal darin, dass die optische Engine und der Switch-ASIC immer näher beieinander platziert sind.

Auf der diesjährigen OFC präsentierten große Unternehmen wie Intel und Cisco CPO-Produkte vom Typ A. Der CPO vom Typ A zeichnet sich dadurch aus, dass der Chip und das optische Modul vollständig standardisierte und unabhängige Komponenten sind, die gemeinsam auf einem PCB-Substrat untergebracht sind. Der Abstand zwischen der optischen Engine und dem Chip beträgt weniger als 10 cm und der oDSP entfällt.

Auf der OFC präsentierte Broadcom seinen Bailly 51.2T-Switch mit der B-Type-CPO-Lösung mit 8 optischen 6.4T-FR4-Bailly-SCIP-Engines und Broadcom-Glasfaseranschlüssen (BFC). Der Unterschied zum A-Typ-CPO ist nicht wesentlich – der ASIC und das optische Modul sind immer noch relativ entkoppelt, aber die Wafer-Level-Packaging-Technologie wird eingeführt, um die beiden Komponenten mit einem Abstand von nur wenigen Zentimetern näher zusammenzubringen.

Das 3D-CPO-Gehäuse vom Typ C ist die ultimative Form von CPO und integriert den Silizium-Photonik-Chip wirklich mit anderen Bare-Chips (wie GPU, Lanswitch, HBM usw.) in einem einzigen großen Gehäuse.

Eines der Ziele von CPO ist die Reduzierung des Stromverbrauchs. Wie in Abbildung 2 dargestellt, konzentriert sich der Stromverbrauch eines optischen 400G ZR-Moduls hauptsächlich auf den DSP. Unabhängig davon, ob es sich um CPO oder das später besprochene LPO handelt, besteht das Kerndesign darin, den DSP zu eliminieren.

Wir können jedoch nicht sagen, dass CPO kein DSP hat. Um Hochgeschwindigkeitssignalmodulation/-demodulation, Kodierung/Dekodierung und Signalkompensation zu realisieren, muss CPO noch DSP-Funktionalität integrieren oder eng mit einem Chip mit DSP-Funktionen zusammenarbeiten. Bei der CPO-Lösung ist der DSP entweder direkt auf einem Chip im Gehäuse integriert oder über eine äußerst kompakte und effiziente Verbindung fest verbunden, um die erforderlichen Signalverarbeitungsfunktionen zu erreichen.

Was ist LPO-Technologie?

LPO (Linear-Drive Pluggable Optics) ist eine Verpackungstechnologie für optische Module. Unabhängig davon, ob es sich um CPO oder LPO handelt, besteht eines der Hauptziele im Vergleich zu herkömmlichen optischen Modulen darin, den Stromverbrauch zu senken, und der Stromverbrauch des DSP ist der höchste unter allen Modulen.

Das Hauptmerkmal von LPO ist die Eliminierung des DSP. Die Datenverbindung verwendet ausschließlich lineare analoge Komponenten ohne jegliches CDR- oder DSP-Design. Es ersetzt den DSP durch einen Transimpedanzverstärker (TIA) und einen Treiberchip (DRIVER), die über hohe Linearität und Entzerrungsfunktionen verfügen.

Das ODCC veröffentlichte im Jahr 112 ein Whitepaper zu optischen 2023G-LPO-Modulanwendungen. Das Design des LPO-Modul ist wie folgt:

• Entfernt die CDR/oDSP-Re-Timer-Komponenten
• Verwendet TIA- und DRIVER-Chips mit besserer Leistung und stärkeren SI-Kompensationsfähigkeiten
• Integriert einige Kompensationsfunktionen in den ASIC-Chip des Netzwerkgeräts
• Die Signalregeneration und digitale Signalkompensation, die ursprünglich vom oDSP durchgeführt wurden, sind jetzt zwischen dem Netzwerkgerät ASIC, DRIVER und TIA aufgeteilt.

In Bezug auf Schnittstellen stellt LPO keine Anforderungen an die Modulverpackung, egal ob QSFP, QSFP-DD, OSFP, OSFPXD oder andere können LPO-Lösungen implementiert werden.

In der Branche fördern Chipunternehmen, die bei DSP relativ schwach sind, wie Macom, Semtech und Maxlinear, LPO aktiv. Der Hauptgrund ist, dass sie hoffen, die DSP-Mängel durch die LPO-Lösung zu umgehen. Derzeit ist die Standardisierung der LPO-Lösung noch nicht ausgereift und betrifft hauptsächlich die elektrische Schnittstelle und die optische Schnittstelle.

Die elektrische Schnittstelle ist hauptsächlich das CEI-112G-Linear-PAM4-Protokoll des OIF. Seit der letzten Aktualisierung im April 2024 hat der CEI-112G-Linear-PAM4-Standard erhebliche Fortschritte gemacht und wurde von der Branche übernommen und implementiert, wobei Unternehmen wie Hisense bereits optische 800G-Linearverbindungskabel auf Basis dieses Standards auf den Markt bringen.

Für die optische Schnittstelle handelt es sich bei den Protokollen der IEEE802.3-Serie um ausgereifte und weit verbreitete Standards, und alle steckbaren optischen Module vom Retimer-Typ müssen diesen Protokollen entsprechen. Wenn LPO den 802.3-Protokollen entsprechen kann, kann es echte „Interoperabilität“ im wahrsten Sinne des Wortes erreichen.

Die Unterschiede zwischen CPO und LPO

Sowohl CPO als auch LPO befinden sich noch in der kontinuierlichen Weiterentwicklung. CPO- und LPO-Verpackungen haben jeweils ihre eigenen Eigenschaften und Vorteile. Die CPO-Verpackungstechnologie konzentriert sich auf integrierte optisch-elektrische Verpackungen, die für Hochgeschwindigkeits-Verbindungsszenarien mit hoher Dichte geeignet sind, während sich die LPO-Verpackungstechnologie auf Steckbarkeit und Kosteneffizienz konzentriert und für Übertragungsszenarien über kurze Entfernungen geeignet ist. Im CPO-Rahmen muss die Stromversorgung unterbrochen werden, wenn die Systemausrüstung ausfällt off und die gesamte Platine muss ausgetauscht werden, was für Wartungsarbeiten recht unpraktisch ist.

Im Vergleich dazu ermöglicht die Steckbarkeit optischer LPO-Module einen effizienten Austausch ohne Abschaltung des gesamten Systems, was den Gesamtkomfort der LPO-Lösung weiter erhöht und die Glasfaserverkabelung und Gerätewartung vereinfacht.

Insgesamt ist LPO ein Weiterentwicklungspfad für steckbare optische Module, der im Vergleich zur CPO-Lösung einfacher und sicherer zu implementieren ist.

Nach Ansicht einiger Experten bringt die LPO-Technologie jedoch wichtige Designherausforderungen für den elektrischen Kanal auf der Systemseite mit sich. Die aktuelle Mainstream-SerDes-Spezifikation ist 112G, die bald auf 224G aktualisiert wird. Experten gehen davon aus, dass die LPO-Technologie die Anforderungen von 224G SerDes möglicherweise nicht erfüllen kann.