Pourquoi est-il nécessaire de retirer la puce DSP dans les liaisons des modules optiques LPO ? 

Si vous suivez l'actualité du secteur des modules optiques, vous entendrez souvent dire que « le LPO doit supprimer la puce DSP ». Pourquoi ? Pour répondre à cette question, il est essentiel de clarifier deux concepts clés : la définition du LPO et le rôle du DSP dans les modules optiques. Cela permettra de comprendre pourquoi le LPO vise à « supprimer » le DSP. Cet article explique la logique technique et le contexte industriel sous-jacents pour une meilleure compréhension.

Que sont LPO et DSP ?

LPO (optique enfichable à entraînement linéaire)

LPO est une nouvelle technologie de module optique apparue ces dernières années dans le domaine des communications optiques. Elle appartient à la catégorie des modules optiques enfichables (similaires aux formats QSFP et OSFP courants).

Caractéristique principale : Il utilise Entraînement linéaire Cette technologie remplace la puce traditionnelle de traitement numérique du signal (DSP) dans les modules optiques. En simplifiant la liaison de traitement du signal, elle réduit la consommation d'énergie, la latence et le coût.

DSP (processeur de signal numérique)

Dans les modules optiques haut débit traditionnels (tels que 200G/400G/800G), le DSP est l'une des puces essentielles. Ses principales fonctions sont :

• Compensation du signal : Effectue une compensation algorithmique numérique des distorsions (telles que la dispersion, le bruit et les pertes non linéaires) générées lors de la transmission du signal.
• Encodage/Décodage : Met en œuvre le mappage et la démodulation du signal pour la modulation d'ordre élevé (telle que PAM4, 16QAM).
• Récupération de l'horloge : Synchronise les horloges de données aux extrémités de transmission et de réception pour garantir la précision de la transmission.
• Égalisation et correction d'erreurs : Utilise des algorithmes d'égalisation adaptatifs pour annuler les interférences du canal et réduire le taux d'erreur binaire.

Pourquoi LPO doit retirer la puce DSP

L'objectif initial de la conception LPO est de résoudre les problèmes liés au traitement numérique du signal (DSP) dans les modules optiques traditionnels. Il est donc nécessaire de supprimer ou de contourner la puce DSP. Ce contournement s'explique par quatre aspects : la consommation d'énergie, la latence, le coût et la dissipation thermique.

Consommation d'énergie : le DSP est un cœur à forte consommation, le LPO doit « réduire sa consommation ».

• Dans les modules optiques haut débit traditionnels (par exemple, 400G), la consommation d'énergie de la puce DSP est extrêmement élevée (représentant environ 30 à 50 % de la puissance totale). Par exemple, la consommation d'énergie du DSP d'un Module optique 400G peut atteindre 15 à 20 W, ce qui peut entraîner une consommation électrique totale du module supérieure à 30 W.
• La technologie LPO utilise des circuits de commande linéaires (tels que des amplificateurs de transimpédance linéaires [TIA] et des pilotes laser linéaires [pilotes LD]) pour gérer directement la conversion des signaux électriques et optiques, éliminant ainsi le traitement numérique du signal (DSP). Ceci permet de réduire la consommation électrique totale du module optique de 30 à 50 % (par exemple, de 30 W à moins de 15 W). Cet avantage est crucial pour les déploiements haute densité, comme dans les centres de données, où une faible consommation se traduit par des besoins de refroidissement réduits, des coûts d'électricité moindres et un taux d'utilisation des racks plus élevé.

Latence : Le « traitement numérique » du DSP introduit un délai supplémentaire

• Le traitement numérique du signal (DSP) nécessite des opérations telles que l'échantillonnage, la quantification et la compensation algorithmique. Ce processus introduit une latence de l'ordre de la microseconde, voire de la nanoseconde (selon la complexité de l'algorithme). Dans les environnements sensibles à la latence, comme le calcul haute performance (HPC) et l'entraînement/l'inférence en intelligence artificielle, une latence accrue peut affecter l'efficacité globale du système.
• L'amplificateur LPO réalise l'amplification et la conversion du signal directement via des circuits de commande linéaires, éliminant ainsi les étapes de traitement numérique du DSP. La latence peut être réduite de plus de 50 % (par exemple, de la microseconde à la submicroseconde), ce qui le rend plus adapté aux applications à faible latence.

Coût : Le DSP est le composant le plus coûteux des modules optiques.

• Les puces DSP haut de gamme (telles que celles de Broadcom et Inphi) sont onéreuses et représentent 20 à 40 % du coût total d'un module optique. Par exemple, le coût d'un DSP pour un module optique 400G peut atteindre plusieurs centaines de dollars. En supprimant le DSP, le coût de la nomenclature (BOM) du module optique peut être réduit de 20 à 30 %, ce qui est crucial pour la maîtrise des coûts dans les déploiements à grande échelle (comme les interconnexions de centres de données).

Dissipation thermique : La forte consommation électrique du processeur de signal numérique (DSP) aggrave l’échauffement du module.

• Les processeurs de signal numérique (DSP) haute puissance entraînent une élévation de la température interne des modules optiques, nécessitant des dissipateurs thermiques ou des ventilateurs supplémentaires, ce qui augmente le volume du module et la complexité de sa conception. La faible consommation des modules LPO réduit la pression thermique, permettant ainsi des conceptions plus compactes (avec un boîtier plus fin) pour répondre aux exigences des ports de commutateurs/routeurs haute densité.

Défis techniques et solutions pour la « suppression du DSP »

LPO ne se contente pas de « couper » le DSP ; il compense plutôt les fonctions manquantes du DSP par Circuits d'entraînement linéaire + optimisation au niveau du système.

Les principaux défis sont les suivants : 

• Compensation de la distorsion du signal : Les DSP traditionnels compensent la distorsion du signal par des algorithmes. Les LPO doivent s'appuyer sur la conception matérielle des circuits de commande linéaire (tels que les TIA haute précision et les pilotes LD) et sur la coopération des équipements en amont (tels que les ASIC de commutation), partageant la tâche de compensation via la « prédistorsion » ou la « correction d'erreur directe (FEC) ».
• Suppression de bruit: Les algorithmes DSP peuvent supprimer le bruit. L'optimisation des circuits analogiques (par exemple, composants à faible bruit, couches de blindage) est nécessaire pour réduire l'impact du bruit.
• Compatibilité: LPO doit fonctionner en synergie avec les interfaces du commutateur/routeur (telles que SerDes) pour assurer la correspondance du format du signal.

Explication en langage clair : comment Linear Drive « comble le vide »

Si ce qui précède reste difficile à comprendre, essayons de le simplifier au maximum : pourquoi le module optique peut-il encore fonctionner après la suppression du DSP, et comment le circuit d’entraînement linéaire prend-il exactement le relais ?

Examen du rôle du traitement numérique du signal dans les modules optiques

Imaginez le module optique comme un "Courrier":

• Les données quittent le commutateur sous forme d'une série de signaux électriques (0 et 1).
• Le module optique le convertit en signaux optiques (en utilisant un laser allumé/éteint pour représenter 0 et 1) et l'envoie dans la fibre.
• Le module optique de réception reconvertit le signal optique en un signal électrique pour le dispositif situé à l'autre extrémité.
• Au cours de ce processus, le signal électrique est « déformé » (distordu), se mélange au bruit ou subit un décalage temporel dû à la qualité de la ligne, aux variations de température et à la qualité de la fibre.

Le DSP agit comme un « réparateur de haut niveau » : Lorsqu'il reçoit un signal déformé, il utilise des algorithmes mathématiques pour le réparer et lui redonner son état d'origine (compensation de la dispersion, réduction du bruit, ajustement de l'horloge, correction des erreurs). Le problème : le processeur de signal numérique (DSP) est très performant, mais il consomme beaucoup d'énergie, présente une latence élevée et est coûteux.

L'idée de LPO : Peut-on se passer de ce réparateur, ou faire en sorte que d'autres étapes effectuent les travaux à l'avance, ce qui permettrait d'économiser sur les frais de réparateur ?

Quel est le rôle du circuit d'entraînement linéaire ?

Les circuits d'entraînement linéaire sont des circuits purement matériels (sans calculs numériques complexes), comprenant :

• Pilote de laser linéaire (pilote LD) : Il est chargé d'amplifier directement le signal électrique et de piloter le laser pour qu'il émette de la lumière.
• Amplificateur de transimpédance linéaire (TIA) : Responsable de la conversion du faible signal optique reçu en un signal électrique et de son amplification.

Leur caractéristique est « Linéarité »Le signal de sortie varie proportionnellement à l'amplitude du signal d'entrée, sans nécessiter de nombreuses opérations mathématiques. On peut le comprendre ainsi : le DSP était un « Réparateur intelligent », tandis que le Linear Drive est un « Déménageur précis » + « Mesures auxiliaires préparées à l’avance ». Elle repose sur la précision du matériel et le travail collaboratif pour réduire les erreurs de signal.

Comment les circuits d'entraînement linéaire « comblent le vide » des fonctions DSP

Les fonctions principales d'un DSP sont de quatre types : compensation du signal, encodage/décodage, récupération d'horloge et égalisation/correction d'erreurs. L'oscillateur basse tension (LPO) contourne ou partage ces tâches de la manière suivante :

(1) Compensation du signal — Repose sur la « prédistorsion en amont » et la « précision matérielle » 

• Prédistorsion en amont : Avant que le signal n'atteigne le module optique, le circuit intégré spécifique (ASIC) du commutateur effectue une prédistorsion (torsion) du signal par logiciel ou matériel, annulant ainsi précisément toute distorsion survenant lors de la transmission. Par conséquent, à la réception par le module optique, le signal est quasiment exact et ne nécessite aucun nouveau calcul par le processeur de signal numérique (DSP).
• Amélioration de la précision matérielle : Les circuits d'entraînement linéaire utilisent des composants de plus haute précision (lasers à faible bruit, amplificateurs à faible dérive) pour minimiser la distorsion lors de la conversion, réduisant ainsi la quantité qui « nécessite une réparation » à la source.

Analogie: Auparavant, le coursier (DSP) recevait un colis endommagé et le réparait lui-même ; désormais, le colis est renforcé avant l'expédition (pré-distorsion + matériel de haute précision), le coursier le déplace donc simplement et n'a plus besoin de le réparer.

(2) Encodage/Décodage — Utilise une modulation plus simple ou fixe 

• Le DSP peut gérer des modulations très complexes (comme PAM4, 16QAM), mais le LPO utilise généralement des modulations plus simples (comme NRZ ou PAM4 simple) car les modulations complexes nécessitent des calculs numériques massifs, ce qui correspond exactement au point faible du DSP (ou plutôt, ce qui nécessite son utilisation).
• En revanche, dans les scénarios à courte distance (à l'intérieur des centres de données), la modulation de bas ordre est utilisée directement car le signal lui-même est moins sujet aux erreurs, de sorte qu'un décodage complexe par un DSP n'est pas nécessaire.

Analogie: Auparavant, le réparateur pouvait réparer différents types de serrures à combinaison complexes ; désormais, nous envoyons des colis à « code clair » — il vous suffit de les lire à réception, aucun décodage n'est nécessaire.

(3) Récupération d'horloge — Repose sur « Fréquence fixe + Synchronisation externe » 

• Le DSP peut extraire des informations d'horloge du signal pour aligner le rythme des extrémités de réception et de transmission.
• Le LPO passe à une transmission à débit fixe (par exemple, les deux parties conviennent du débit à l'avance) et utilise une source d'horloge externe (fournie par le commutateur) pour une synchronisation directe, sautant l'étape de « deviner » l'horloge à partir du signal.

Analogie: Auparavant, le réparateur devinait le rythme en écoutant le son. Désormais, tout le monde utilise directement le même métronome, plus besoin de deviner.

(4) Égalisation et correction des erreurs — Repose sur le partage des fonds de la FEC 

• Le DSP utilise des algorithmes d'égalisation adaptatifs pour ajuster les signaux en temps réel.
• LPO confie cette tâche à Correction d'erreur directe (FEC)— en ajoutant des codes de contrôle redondants aux données. Une fois l'erreur détectée par le récepteur, ces codes permettent de la corriger automatiquement. La correction d'erreurs sans voie de retour (FEC) peut être effectuée par le commutateur ou d'autres puces, sans nécessiter l'intervention du processeur de signal numérique (DSP) du module optique pour un calcul en temps réel.

Analogie: Auparavant, le réparateur effectuait les réparations lors de la réception du colis ; désormais, le colis contient des pièces de rechange (FEC), donc si quelque chose est cassé, il suffit de le remplacer par la pièce de rechange, aucune réparation temporaire n'est nécessaire.

Effets et coûts de l'entraînement linéaire

(1) Effets :

• Economie d'énergie: Élimination de la forte consommation d'énergie du DSP.
• Latence réduite : Moins de temps consacré aux calculs numériques.
• Coût réduit: Les processeurs DSP sont chers.
• Pression thermique réduite. 

(2) Coûts (Compromis) : 

• Exigences de qualité de liaison supérieures : En l'absence de traitement numérique du signal pour la réparation en temps réel, le signal doit être aussi « propre » que possible.
• Convient pour les courtes distances/faible niveau sonore : Idéal pour les environnements tels que les baies de centres de données ; ne convient pas aux longues distances ni aux canaux difficiles.
• Nécessite une coopération en amont et en aval : Les commutateurs et les fibres optiques doivent être optimisés, sinon leurs performances se dégraderont.

Résumé : L'essence du LPO « Suppression du DSP » 

L'essence de la « suppression de la puce DSP » dans LPO consiste à reconstruire la liaison de traitement du signal du module optique grâce à la technologie d'entraînement linéaire. Elle y parvient en s'appuyant sur « Nettoyage du signal en amont + matériel de haute précision + partage en amont/externe des tâches de réparation. » 

Cette solution nécessite de faire des sacrifices. « Robustesse du signal dans des scénarios complexes » en contrepartie des avantages de faible consommation d'énergie, faible latence et faible coûtCela le rend plus adapté aux scénarios à courte distance, à large bande passante et à faible latence (tels que les interconnexions internes de centres de données), tandis que pour les scénarios à longue distance et à bruit élevé (tels que la transmission interurbaine), les modules optiques traditionnels avec DSP restent irremplaçables.