Quelles sont les différences entre CPO et LPO

Les modules optiques traditionnels sont indépendants de l'ASIC de commutation et connectés à d'autres composants électroniques via des câbles en cuivre ou des fibres optiques. Cette approche entraîne souvent une consommation d'énergie importante et une perte de signal lors de la transmission de données à grande vitesse. En particulier, à mesure que les vitesses de réseau ont progressé de 400G à 800G et même à 1.6T, et devraient bientôt atteindre 3.2T, le défi de la consommation d'énergie est devenu plus prononcé.

La consommation électrique des modules SFP est d'environ 2 W, les modules optiques 100G sont généralement de 1.5 W à 3 W, 400G QSFP-DD DR4 les modules optiques peuvent être contrôlés dans une plage de 12 W, et les modules optiques 800G vont de 12 W à 16 W.

À mesure que les débits de données augmentent, la consommation électrique des modules optiques individuels augmente de manière linéaire, entraînant une augmentation significative de la consommation électrique globale du système.

Du point de vue de l'emballage du dispositif, lorsque le débit du signal double, passant de 56 Gbit/s à 112 Gbit/s, la perte d'insertion des traces PCB à faible perte, même avec des matériaux PCB avancés, doublera également approximativement pour une longueur de trace donnée.

Généralement, plus le canal électrique est court et moins il y a de conversions intermédiaires (vias, connecteurs), plus il est facile de gérer les problèmes d'intégrité du signal. Cela a motivé la tendance à intégrer des dispositifs optiques plus proches de l'ASIC, ce qui peut réduire efficacement la consommation d'énergie.

Deux solutions principales ont émergé sur la base de ce principe :

• Optique co-packagée (CPO) : les composants optiques et électriques sont co-packagés.
• Optique photonique linéaire (LPO) : modules enfichables avec pilotes optiques linéaires.

L'évolution des modules enfichables vers CPO et LPO est illustrée dans le diagramme.

Qu’est-ce que l’optique co-packagée (CPO) ?

Comme mentionné précédemment, les modules optiques traditionnels sont indépendants de l'ASIC de commutation et connectés à d'autres composants électroniques via des câbles en cuivre ou des fibres optiques. Cette approche entraîne souvent une consommation d'énergie importante et une perte de signal lors de la transmission de données à grande vitesse.

CPO est une solution pour résoudre ce problème. En regroupant étroitement le module optique et l'ASIC de commutation, la distance de conversion du signal entre les domaines électrique et optique, ainsi que la distance de transmission, peuvent être considérablement réduites. Cela peut réduire considérablement la consommation d’énergie, améliorer l’intégrité du signal et réduire la latence, tout en réduisant l’encombrement global.

Le diagramme ci-dessous illustre l'évolution des DAC traditionnels à base de cuivre et des dispositifs optiques enfichables vers les dispositifs optiques intégrés en 3D dans CPO.

Comme vous pouvez le voir sur le diagramme ci-dessus, il ne s'agit pas d'un processus en une seule étape lorsqu'il s'agit de minimiser la distance linéaire de la connexion, en commençant par l'optique NPO proche du boîtier, puis par CPO.

NPO découple le moteur optique de la puce du commutateur, puis les assemble sur la même carte système.

CPO, quant à lui, assemble directement la puce de commutation et le moteur optique dans un seul emplacement, réalisant ainsi le co-packaging de la puce et du module.

Comparé au NPO, le module CPO est plus proche de l'ASIC hôte, ce qui permet de réduire la perte de canal et la consommation d'énergie.

Actuellement, il existe trois étapes de packaging CPO (Chip-Photonics Optics) :

CPO de type A (correspondant au 4ème étage de haut en bas sur la Figure 3 – CPO 2.5D)

CPO de type B (correspondant au 5ème étage de haut en bas dans la Figure 3 – Chiplet CPO 2.5D)

CPO de type C (correspondant au 6ème étage de haut en bas sur la Figure 3 – CPO 3D)

Du type A au type C, la caractéristique clé est que le moteur optique et le commutateur ASIC sont de plus en plus rapprochés.

Lors de l'OFC de cette année, de grandes entreprises comme Intel et Cisco ont présenté des produits CPO de type A. Le CPO de type A se caractérise par le fait que la puce et le module optique sont des composants entièrement standardisés et indépendants, co-emballés sur un substrat PCB. La distance entre le moteur optique et la puce est inférieure à 10 cm et l'oDSP est éliminé.

À l'OFC, Broadcom a présenté son commutateur Bailly 51.2T utilisant la solution CPO de type B, avec 8 moteurs optiques Bailly SCIP 6.4T-FR4 et des connecteurs fibre Broadcom (BFC). La différence avec le CPO de type A n'est pas significative : l'ASIC et le module optique sont encore relativement découplés, mais une technologie de conditionnement au niveau de la tranche est introduite pour rapprocher les deux composants, avec une distance de seulement quelques centimètres.

Le boîtier CPO 3D de type C est la forme ultime de CPO, intégrant véritablement la puce photonique en silicium avec d'autres matrices nues (telles que GPU, Lanswitch, HBM, etc.) dans un seul grand boîtier.

L'un des objectifs du CPO est de réduire la consommation d'énergie. Comme le montre la figure 2, la consommation électrique d'un module optique 400G ZR est principalement concentrée dans le DSP. Ainsi, qu'il s'agisse de CPO ou de LPO discuté plus tard, la conception principale est d'éliminer le DSP.

Cependant, on ne peut pas dire que CPO n’a pas de DSP. Pour réaliser une modulation/démodulation, un encodage/décodage et une compensation de signal à grande vitesse, CPO doit toujours intégrer la fonctionnalité DSP ou travailler en étroite collaboration avec une puce dotée de capacités DSP. Dans la solution CPO, le DSP est soit directement intégré sur une puce au sein du boîtier, soit étroitement connecté via une connexion extrêmement compacte et efficace pour réaliser les fonctions de traitement du signal requises.

Qu'est-ce que la technologie LPO

LPO, ou Linear-drive Pluggable Optics, est une technologie de packaging de modules optiques. Qu'il s'agisse de CPO ou de LPO, l'un des principaux objectifs par rapport aux modules optiques traditionnels est de réduire la consommation d'énergie, et la consommation d'énergie du DSP est la plus élevée de l'ensemble du module.

Pour la LPO, la caractéristique clé est la suppression du DSP. La liaison de données utilise uniquement des composants analogiques linéaires, sans aucune conception CDR ou DSP. Il remplace le DSP par une puce d'amplificateur à transimpédance (TIA) et de pilote (DRIVER) dotée de capacités de linéarité et d'égalisation élevées.

L'ODCC a publié un livre blanc sur les applications des modules optiques 112G LPO en 2023. La conception du Module LPO est comme suit:

• Supprime les composants de resynchronisation CDR/oDSP
• Utilise des puces TIA et DRIVER avec de meilleures performances et des capacités de compensation SI plus fortes
• Intègre certaines fonctions de compensation dans la puce ASIC du périphérique réseau
• La régénération du signal et la compensation du signal numérique effectuées à l'origine par l'oDSP sont désormais réparties entre le périphérique réseau ASIC, DRIVER et TIA.

En termes d'interfaces, LPO n'a aucune exigence concernant le packaging des modules, qu'il s'agisse de QSFP, QSFP-DD, OSFP, OSFPXD, ou autres, des solutions LPO peuvent être mises en œuvre.

Dans le secteur, les fabricants de puces relativement faibles en DSP, tels que Macom, Semtech et Maxlinear, font activement la promotion du LPO. La raison principale est qu'ils espèrent contourner les lacunes du DSP grâce à la solution LPO. Actuellement, la standardisation des solutions LPO n'est pas encore mature, impliquant principalement l'interface électrique et l'interface optique.

L'interface électrique est principalement le protocole CEI-112G-Linear-PAM4 de l'OIF. Depuis la dernière mise à jour d'avril 2024, la norme CEI-112G-Linear-PAM4 a fait des progrès substantiels et a été adoptée et mise en œuvre par l'industrie, des entreprises comme Hisense lançant déjà des câbles optiques d'interconnexion linéaires 800G basés sur cette norme.

Pour l'interface optique, les protocoles de la série IEEE802.3 sont des normes matures et largement utilisées, et tous les modules optiques enfichables de type retimer doivent être conformes à ces protocoles. Si LPO peut se conformer aux protocoles 802.3, il peut atteindre une véritable « interopérabilité » au sens le plus large du terme.

Les différences entre CPO et LPO

CPO et LPO sont toujours en développement continu. Les packagings CPO et LPO ont chacun leurs caractéristiques et avantages. La technologie d'emballage CPO se concentre sur l'emballage optique-électrique intégré, adapté aux scénarios d'interconnexion à haute vitesse et haute densité, tandis que la technologie d'emballage LPO se concentre sur l'enfichage et la rentabilité, adaptée aux scénarios de transmission à courte distance. Dans le cadre du CPO, si l'équipement du système tombe en panne, l'alimentation doit être coupée off et la carte entière doit être remplacée, ce qui est assez gênant pour les tâches de maintenance.

En comparaison, la possibilité d'enficher les modules optiques LPO permet un remplacement efficace sans arrêter l'ensemble du système, améliorant encore la commodité globale de la solution LPO et simplifiant le câblage fibre et la maintenance des équipements.

Dans l'ensemble, LPO est une voie évolutive pour les modules optiques enfichables, plus facile à mettre en œuvre et avec plus de certitude par rapport à la solution CPO.

Cependant, selon certains experts, la technologie LPO présente d'importants défis de conception pour le canal électrique du côté du système. La spécification SerDes actuelle est 112G, qui sera bientôt mise à niveau vers 224G. Les experts estiment que la technologie LPO pourrait ne pas être en mesure de répondre aux exigences du SerDes 224G.