Was ist ein optisches LPO-Transceiver-Modul?

In den letzten Jahren hat sich die optische Kommunikationsbranche rasant entwickelt. Angetrieben durch 5G und KI hat die optische Kommunikationstechnologie große Durchbrüche erzielt, und auch die optische Infrastruktur hat einen qualitativen Sprung gemacht. Besonders in diesem Jahr erfreute sich das große AIGC-Modell großer Beliebtheit, und intelligentes Rechnen und Supercomputing nahmen zu, was zu einer neuen Welle des Entwicklungsbooms für die optische Kommunikation führte. Das Backbone-Netzwerk 400G steht kurz vor der vollständigen Bereitstellung, und die Rechenzentren 800G und 1.6T sind ebenfalls gespannt darauf, es auszuprobieren.

Die Herausforderungen der Evolution der optischen Kommunikation

Tatsächlich ist die technologische Iteration der optischen Kommunikation keine einfache Verdoppelung der Zahlen.

Nach dem Eintritt in die 400G-Phase müssen wir nicht nur die Geschwindigkeitsverbesserung, sondern auch die mit der hohen Geschwindigkeit verbundenen Stromverbrauchs- und Kostenprobleme lösen. Geschwindigkeitsverbesserung ist wie LKW-Lieferung. Wenn die Ladung immer schwerer wird, müssen Sie den Motor aufrüsten. Je größer der Hubraum des Motors ist, desto höher ist der Kraftstoffverbrauch und auch der Motorpreis und die Kraftstoffkosten steigen.

Als Beispiel nehmen wir optische Module.

Als Schlüsselgerät optischer Netzwerke und das am häufigsten verwendete Gerät standen optische Module schon immer im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit der Industrie. Der Stromverbrauch und der Preis hängen eng mit der Kaufabsicht des Benutzers zusammen.

Im Jahr 2007 hatte ein optisches 10-Gigabit-Modul (10 Gbit/s) nur etwa 1 W Leistung.

Mit 40G, 100G, 400G und 800G ist der Stromverbrauch optischer Module sprunghaft angestiegen und liegt nun bei 30 W.

Es ist wichtig zu wissen, dass ein Switch mehr als ein optisches Modul haben kann. Bei voller Auslastung sind es oft Dutzende optischer Module (bei 48 sind es 48×30=1440W).

Im Allgemeinen macht der Stromverbrauch optischer Module etwa 40 % oder mehr des Stromverbrauchs der gesamten Maschine aus. Das bedeutet, dass der Stromverbrauch der gesamten Maschine höchstwahrscheinlich 3000 W übersteigt.

Der Anstieg des Energieverbrauchs optischer Kommunikationsgeräte übt auch einen enormen Druck auf den Energieverbrauch und die Kosten des gesamten Rechenzentrums aus, was sich äußerst nachteilig auf die COXNUMX-Peak- und COXNUMX-Neutralitätsziele von Kommunikationsnetzwerken auswirkt.

Im Vergleich zu 2010 wird der Energieverbrauch optischer Geräte um das 26-fache steigen.

Um das Problem des Energieverbrauchs zu lösen, das durch die steigende Geschwindigkeit der optischen Kommunikation entsteht, hat die Branche zahlreiche technische Untersuchungen durchgeführt.

CPO, das letztes Jahr beliebt war, ist eine der Lösungen. Dieses Jahr zusätzlich zu CPO, hat die Branche ein neues Programm vorgeschlagen – LPO.

Was ist LPO?

LPO, der vollständige Name der englischen Bezeichnung „Linear-drive Pluggable Optics“.

Wie der Name schon sagt, handelt es sich um eine Verpackungstechnologie für optische Module.

Wie in der Abbildung unten gezeigt, gibt es am Switch optische Modulanschlüsse. Setzen Sie das entsprechende optische Modul ein und schließen Sie dann die Glasfaser an. Wenn es kaputt ist, kann es auch ersetzt werden.

LPO betont „steckbar“, um es von der CPO-Lösung zu unterscheiden, bei der optische Module nicht steckbar sind. Das optische Modul (optische Engine) wird näher an den Schaltchip gerückt und direkt an diesen „gebunden“.

Der Hauptunterschied zwischen LPOs und herkömmlichen optischen Modulen ist der Linearantrieb.

Der sogenannte „Linearantrieb“ bedeutet, dass der LPO die lineare Direktantriebstechnologie übernimmt und der DSP-Chip (Digital Signal Processing) / CDR (Clock Data Recovery) im optischen Modul entfällt.

Was ist also ein linearer Direktantrieb, welche Rolle spielt DSP und warum kann er eliminiert werden? Warum kann es storniert werden? Welche Auswirkungen hat die Entfernung?

Beginnen wir mit der Grundarchitektur des optischen Moduls.

Optische Modulübertragung, das heißt der Prozess von elektrischen Signalen in optische Signale, optische Signale in elektrische Signale.

Auf der Sendeseite durchläuft das Signal einen Digital-Analog-Wandler (DAC), der es von einem digitalen Signal in ein analoges Signal umwandelt. Auf der Empfangsseite durchläuft das analoge Signal eine Analog-Digital-Wandlung (ADC) und wird wieder digital.

Nach einem Vorgang ist das erhaltene digitale Signal etwas chaotisch und verzerrt. Zu diesem Zeitpunkt ist DSP erforderlich, um das digitale Signal zu „reparieren“.

DSP ist ein Chip, auf dem Algorithmen ausgeführt werden. Es verfügt über eine digitale Taktwiederherstellungsfunktion und eine Dispersionskompensationsfunktion (zur Entfernung von Rauschen, nichtlinearen Interferenzen und anderen Faktoren), kann Verzerrungen bekämpfen und kompensieren und Verzerrungen auf die BER-Auswirkungen des Systems reduzieren.

(Hinweis: DSP ist nicht in allen herkömmlichen optischen Modulen verfügbar. Bei optischen Hochgeschwindigkeitsmodulen sind die Signalanforderungen jedoch hoch, sodass DSP grundsätzlich erforderlich ist.)

Zu den wichtigsten elektrischen Chips in optischen Modulen gehören neben DSP ein Lasertreiber (LDD), ein Transimpedanzverstärker (TIA), ein Begrenzungsverstärker (LA) sowie ein Takt- und Datenwiederherstellungschip (CDR).

CDR wird auch zur Datenwiederherstellung verwendet. Es extrahiert die Datensequenz aus dem empfangenen Signal und stellt das der Datensequenz entsprechende Taktsignal wieder her, wodurch die empfangenen spezifischen Informationen wiederhergestellt werden.

DSP ist sehr leistungsstark. Der Stromverbrauch und die Kosten sind jedoch auch hoch.

Beispielsweise in der 400G optisches ModulBei dem verwendeten 7-nm-DSP beträgt der Stromverbrauch etwa 4 W, was etwa 50 % des Stromverbrauchs des gesamten Moduls ausmacht.

Aus Kostensicht machen die Stücklistenkosten (BOM) des DSP in einem optischen 400G-Modul etwa 20–40 % aus.

Die LPO-Lösung besteht darin, den DSP/CDR-Chip im optischen Modul herauszunehmen und die zugehörigen Funktionen in den Switching-Chip auf der Geräteseite zu integrieren.

Im optischen Modul sind nur noch der Treiber (Driver Chip) und der TIA (Trans-Impedance Amplifier) ​​mit hoher Linearität übrig, und die Funktionen CTLE (Continuous Time Linear Equalization) und EQ (Equalization, Equalization) sind zur Kompensation hoher Werte integriert -Geschwindigkeitssignale bis zu einem gewissen Grad. Um Hochgeschwindigkeitssignale in gewissem Umfang zu kompensieren, sind Funktionen zur Entzerrung integriert.

Die Vorteile von LPO

Die Vorteile von LPOs lassen sich wie folgt zusammenfassen: geringer Stromverbrauch, niedrige Kosten, geringe Latenz und einfache Wartung.

Geringer Stromverbrauch

Ohne DSP ist der Stromverbrauch mit Sicherheit geringer.

Den Daten von Macom zufolge kann der Stromverbrauch eines optischen 800G-Multimode-Moduls mit DSP-Funktion 13 W überschreiten, während der Stromverbrauch eines 800G Das optische Multimode-Modul mit MACOM PURE DRIVE-Technologie beträgt weniger als 4 W.

Kostengünstig

Das ist selbstverständlich. Wie bereits erwähnt, machen die Stücklistenkosten der DSP etwa 20–40 % aus, was wegfällt. Der Treiber und TIA integrieren EQ, was die Kosten leicht erhöht, die Gesamtkosten jedoch dennoch senken. Laut Branchenanalyse betragen die Stücklistenkosten für ein optisches 800G-Modul etwa 600 bis 700 US-Dollar und die Kosten für den DSP-Chip etwa 50 bis 70 US-Dollar. Der Treiber und TIA integrieren die EQ-Funktionalität, was die Kosten um 3–5 US-Dollar erhöht. Auf diese Weise berechnet, können die Gesamtsystemkosten um etwa 8 %, etwa 50–60 US-Dollar, gesenkt werden. Erwähnenswert ist, dass DSP auch eine Technologie ist, die von einigen Herstellern wie Broadcom und Inphi beherrscht wird. Durch den Verzicht auf DSP verringert sich auch die Abhängigkeit von einigen wenigen Herstellern ein Stück weit.

Geringe Latenz

Ohne DSP wird ein Verarbeitungsschritt reduziert und auch die Latenz bei der Datenübertragung verringert. Dieser Vorteil ist besonders wichtig für KI-Computing- und Supercomputing-Szenarien.

Einfache Wartung

Dies ist relativ zur CPO-Lösung. Wenn bei der CPO-Lösung ein Gerät im System ausfällt, müssen Sie es mit Strom versorgen off und die gesamte Platine austauschen, was für die Wartung sehr unpraktisch ist. Die Verpackung von LPO hat sich nicht wesentlich verändert, unterstützt Hot-Swapping, vereinfacht die Glasfaserverkabelung und Gerätewartung und ist bequemer zu verwenden.

Die aktuellen Herausforderungen von LPO

Kurze Kommunikationsdistanz

Für die Entfernung von DSP ist ein Preis zu zahlen. TIA und Treiberchips können DSP nicht vollständig ersetzen, sodass die Bitfehlerrate des Systems steigt. Bei einer höheren Bitfehlerrate wird die Übertragungsstrecke naturgemäß kürzer. Die Branche geht allgemein davon aus, dass LPO nur für bestimmte Anwendungsszenarien im Kurzstreckenbereich geeignet ist. Zum Beispiel die Verbindung zwischen Servern und Switches innerhalb von Rechenzentrumsschränken und die Verbindung zwischen Rechenzentrumsschränken. Die anfängliche Entwicklung von LPO ermöglicht die Verbindung von Entfernungen von wenigen Metern bis zu mehreren zehn Metern. Zukünftig kann es auf bis zu 500 Meter erweitert werden.

Die Standardisierung fängt gerade erst an

Derzeit befindet sich die Standardisierung von LPO noch in einem frühen Stadium und es kann zu einigen Herausforderungen bei der Interoperabilität kommen. Wenn Unternehmen LPO einführen, müssen sie über bestimmte technische Fähigkeiten verfügen, technische Spezifikationen und Lösungen formulieren, die Randbedingungen von Geräten und Modulen erkunden und zahlreiche Integrations- und Interoperabilitätstests durchführen können.

Mit anderen Worten: LPO eignet sich derzeit eher für relativ geschlossene Systeme mit nur einem Anbieter. Wenn mehrere Lieferanten verwendet werden und diese nicht die Kraft haben, diese zu kontrollieren, kann es zu Problemen wie „schwer zu definierende Probleme, gegenseitiges Ausweichen“ kommen, was schlimmer ist als bei der Verwendung herkömmlicher DSP-Lösungen.

Darüber hinaus haben einige Experten darauf hingewiesen, dass LPO einige Herausforderungen für das elektrische Kanaldesign auf der Systemseite mit sich bringt. Die aktuelle Mainstream-Spezifikation von SerDes ist 112G, die bald auf 224G aktualisiert wird. Experten gehen davon aus, dass LPO mit den Anforderungen von 224G SerDes nicht mithalten kann.

Der Industrialisierungsfortschritt von LPO

LPO-Lösungen wurden tatsächlich bereits von einigen Unternehmen vorgeschlagen, konnten jedoch aufgrund technischer Einschränkungen keine Ergebnisse erzielen. Auf der diesjährigen OFC-Konferenz wurde LPO erneut vorgeschlagen und rückte bald in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit der Branche.    

AWS, Meta, Microsoft, Google und andere große internationale Marktkunden haben Interesse an LPO bekundet. Viele Giganten der optischen Kommunikation haben auch Ressourcen in Forschung und Entwicklung investiert. Derzeit hat FiberMall eine 800G-LPO-Lösung auf den Markt gebracht.

Zuletzt dürfte es einigen Unternehmen gelungen sein, Kleinserienlieferungen durchzuführen. Der Schlüssel zur LPO-Lösung liegt im Chip. Die Hauptlieferanten von TIA und Treibern mit hoher Linearität sind Macom, Semtech, Maxlinear und andere.

Prognosen zufolge wird LPO bis 2024 eine groß angelegte Kommerzialisierung erreichen. Optimistischere Institutionen in der Branche gehen davon aus, dass LPO in Zukunft die Hälfte des Marktanteils einnehmen kann. Konservativere Institutionen gehen davon aus, dass der Anteil von CPO/LPO bis 30 etwa 2026 % erreichen wird.

Zusammenfassung

LPO ist eine Technologie, die ausbalanciert und Kompromisse eingeht. Es passt sich an ein bestimmtes Anwendungsszenario an (kurze Distanz) und verzichtet auf DSP/CDR, was zu einem leichten Leistungsverlust (Bitfehlerrate) führt. Es reduziert jedoch auch den Stromverbrauch, die Kosten und die Latenz. Es hat andere Vor- und Nachteile als CPO. Obwohl es später als CPO entstand, wird es schneller bereitgestellt als CPO.

Dem aktuellen Trend folgend wird LPO der Technologiepfad mit dem größten Potenzial im 800G-Zeitalter sein. Mit fortschreitender AIGC-Welle wird das optische Netzwerk des Rechenzentrums auf 800G erweitert. Das goldene Zeitalter von LPO rückt näher.