Qu'est-ce que le module émetteur-récepteur optique LPO ?

Ces dernières années, l’industrie des communications optiques s’est développée rapidement. Poussée par la 5G et l’IA, la technologie de communication optique a réalisé de grandes avancées, et l’infrastructure optique a également fait un saut qualitatif. Cette année en particulier, le grand modèle AIGC est devenu populaire et l'informatique intelligente et le supercalcul ont augmenté, ce qui a conduit à une nouvelle vague de développement pour la communication optique. Le réseau fédérateur 400G est sur le point d'être entièrement déployé, et les centres de données 800G et 1.6T sont également impatients de l'essayer.

Les défis de l’évolution de la communication optique

En fait, l’itération technologique de la communication optique n’est pas un simple doublement de chiffres.

Après être entrés dans l'étape 400G, nous devons résoudre non seulement l'amélioration de la vitesse, mais également les problèmes de consommation d'énergie et de coûts induits par la vitesse élevée. L'amélioration de la vitesse, c'est comme la livraison par camion. Lorsque la cargaison devient de plus en plus lourde, vous devez mettre à niveau le moteur. Plus la cylindrée du moteur est grande, plus la consommation de carburant est élevée, ainsi que le prix du moteur et le coût du carburant.

Prenons comme exemple les modules optiques.

En tant que dispositif clé des réseaux optiques et dispositif le plus utilisé, les modules optiques ont toujours été au centre de l'attention de l'industrie. Sa consommation électrique et son prix sont étroitement liés à l’intention d’achat de l’utilisateur.

En 2007, un module optique de 10 Gigabits (10 Gbit/s) ne représentait qu'environ 1 W de puissance.

Avec 40G, 100G, 400G et 800G, la consommation électrique des modules optiques est montée en flèche, atteignant 30W.

Il est important de comprendre qu’un commutateur peut comporter plusieurs modules optiques. S'il est entièrement chargé, il y a souvent des dizaines de modules optiques (s'il y en a 48, cela fait 48×30=1440W).

D'une manière générale, la consommation électrique des modules optiques représente environ 40 % ou plus de la consommation électrique de l'ensemble de la machine. Cela signifie que la consommation électrique de l’ensemble de la machine est très susceptible de dépasser 3000 XNUMX W.

L’augmentation de la consommation énergétique des équipements de communication optique exerce également une pression considérable sur la consommation énergétique et le coût de l’ensemble du data center, ce qui est très préjudiciable aux objectifs de pic carbone et de neutralité carbone des réseaux de communication.

Par rapport à 2010, la consommation d'énergie des appareils optiques sera multipliée par 26.

Afin de résoudre le problème de la consommation d'énergie provoqué par le taux croissant de communication optique, l'industrie a procédé à de nombreuses explorations techniques.

Le CPO, qui était populaire l’année dernière, est l’une des solutions. Cette année, en plus de CPO, l'industrie a proposé un nouveau programme – LPO.

Qu'est-ce que la LPO

LPO, le nom complet de l'anglais appelé Linear-drive Pluggable Optics.

Comme son nom l’indique, il s’agit d’une technologie de packaging de modules optiques.

Comme le montre la figure ci-dessous, il y a des ports de module optique sur le commutateur, insérez-y le module optique correspondant, puis vous pouvez brancher la fibre. S'il est cassé, il peut également être remplacé.

LPO met l'accent sur « enfichable » pour le distinguer de la solution CPO, dans laquelle les modules optiques ne sont pas enfichables. Le module optique (moteur optique) est rapproché de la puce de commutation et y est directement « lié ».

La principale différence entre les LPO et les modules optiques traditionnels réside dans le lecteur linéaire.

Le soi-disant « entraînement linéaire » signifie que le LPO adopte la technologie d'entraînement direct linéaire et que la puce DSP (Digital Signal Processing) / CDR (Clock Data Recovery) est annulée dans le module optique.

Alors, qu’est-ce que l’entraînement direct linéaire, quel est le rôle du DSP et pourquoi peut-il être éliminé ? Pourquoi peut-il être annulé ? Quel est l’impact de la suppression ?

Commençons par l'architecture de base du module optique.

Transmission de module optique, c'est-à-dire le processus de signaux électriques en signaux optiques, de signaux optiques en signaux électriques.

À l’extrémité de transmission, le signal passe par un convertisseur numérique-analogique (DAC), qui le transforme d’un signal numérique en signal analogique. À la réception, le signal analogique passe par une conversion analogique-numérique (ADC) et redevient numérique.

Après une opération, le signal numérique obtenu est un peu brouillon et déformé. A cette époque, le besoin de DSP, la « réparation » du signal numérique.

DSP est une puce exécutant des algorithmes. Il dispose d'une fonction de récupération d'horloge numérique et d'une fonction de compensation de dispersion (pour éliminer le bruit, les interférences non linéaires et d'autres facteurs), peut combattre et compenser la distorsion et réduire la distorsion sur l'impact BER du système.

(Remarque : le DSP n'est pas disponible dans tous les modules optiques traditionnels. Cependant, dans les modules optiques à grande vitesse, les exigences en matière de signal sont élevées, le DSP est donc fondamentalement nécessaire.)

Outre le DSP, les principales puces électriques des modules optiques comprennent un pilote laser (LDD), un amplificateur de transimpédance (TIA), un amplificateur limiteur (LA) et une puce de récupération d'horloge et de données (CDR).

Le CDR est également utilisé pour la restauration des données. Il extrait la séquence de données du signal reçu et récupère le signal de synchronisation d'horloge correspondant à la séquence de données, rétablissant ainsi les informations spécifiques reçues.

Le DSP est très puissant. Cependant, sa consommation d’énergie et son coût sont également élevés.

Par exemple, dans le Module optique 400G, le DSP 7 nm utilisé, la consommation électrique est d'environ 4 W, ce qui représente environ 50 % de la consommation électrique de l'ensemble du module.

Du point de vue des coûts, le coût de la nomenclature (Bill of Materials) du DSP dans un module optique 400G représente environ 20 à 40 %.

La solution LPO consiste à retirer la puce DSP/CDR du module optique et à intégrer les fonctions associées dans la puce de commutation côté appareil.

Dans le module optique, seuls les pilotes (Driver Chip) et TIA (Trans-Impedance Amplifier) ​​à haute linéarité sont laissés, et les fonctions CTLE (Continuous Time Linear Equalization) et EQ (Equalization, Equalization) sont intégrées, respectivement, pour compenser les hautes -signaux de vitesse dans une certaine mesure. Des fonctions d'égalisation) sont intégrées pour compenser dans une certaine mesure les signaux à grande vitesse.

Les avantages de la LPO

Les avantages des LPO se résument à une faible consommation d’énergie, un faible coût, une faible latence et une maintenance facile.

Faible consommation d'énergie

Sans DSP, la consommation électrique est certainement réduite.

Selon les données de Macom, la consommation électrique d'un module optique multimode 800G avec fonction DSP peut dépasser 13 W, tandis que la consommation électrique d'un 800G Le module optique multimode utilisant la technologie MACOM PURE DRIVE est inférieur à 4W.

À bas prix

Cela va de soi. Comme mentionné précédemment, le coût de nomenclature du DSP représente environ 20 à 40 %, ce qui est éliminé. Le pilote et TIA intègrent l'EQ, ce qui augmente légèrement le coût, mais le coût global reste néanmoins réduit. Selon l'analyse de l'industrie : dans un module optique 800G, le coût de la nomenclature est d'environ 600 à 700 dollars américains et le coût de la puce DSP est d'environ 50 à 70 dollars américains. Le pilote et TIA intègrent la fonctionnalité EQ, ce qui augmente le coût de 3 à 5 dollars américains. Calculé de cette manière, le coût total du système peut être réduit d'environ 8 %, soit environ 50 à 60 dollars américains. Il est à noter que le DSP est également une technologie maîtrisée par quelques constructeurs comme Broadcom et Inphi. L'annulation du DSP réduit également dans une certaine mesure la dépendance à l'égard de quelques fabricants.

Faible latence

Sans DSP, une étape de traitement est réduite et la latence de transmission des données est également réduite. Cet avantage est particulièrement important pour les scénarios d’IA et de supercalcul.

Entretien facile

Ceci est relatif à la solution CPO. Dans la solution CPO, si un appareil du système tombe en panne, vous devez l'alimenter off et remplacez la carte entière, ce qui est très gênant pour la maintenance. L'emballage du LPO n'a pas changé de manière significative, prend en charge le remplacement à chaud, simplifie le câblage fibre optique et la maintenance des équipements et est plus pratique à utiliser.

Les défis actuels de la LPO

Courte distance de communication

Il y a un prix à payer pour supprimer le DSP. TIA et les puces de pilote ne peuvent pas remplacer complètement le DSP, le taux d'erreur binaire du système augmentera donc. Avec un taux d’erreur binaire plus élevé, la distance de transmission sera naturellement plus courte. L'industrie estime généralement que le LPO ne convient qu'à des scénarios d'application spécifiques à courte distance. Par exemple, la connexion entre les serveurs et les commutateurs dans les armoires du centre de données, ainsi que la connexion entre les armoires du centre de données. Le développement initial du LPO permet de relier des distances de quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres. À l’avenir, il pourrait être étendu jusqu’à 500 mètres.

La normalisation ne fait que commencer

À l'heure actuelle, la normalisation de la LPO en est encore à ses débuts et l'interopérabilité pourrait poser certains problèmes. Pour les entreprises, si elles adoptent le LPO, elles doivent disposer de certaines capacités techniques, être capables de formuler des spécifications et des solutions techniques, être capables d'explorer les conditions limites des appareils et des modules et être capables d'effectuer un grand nombre de tests d'intégration et d'interopérabilité.

En d’autres termes, la LPO est actuellement plus adaptée aux systèmes relativement fermés et à fournisseur unique. Si plusieurs fournisseurs sont utilisés et qu'ils n'ont pas la force de les contrôler, des problèmes tels que « des problèmes difficiles à définir, des esquives mutuelles » peuvent survenir, ce qui est pire que l'utilisation de solutions DSP traditionnelles.

En outre, certains experts ont souligné que le LPO pose certains défis en matière de conception des canaux électriques du côté du système. La spécification courante actuelle de SerDes est 112G, qui sera bientôt mise à niveau vers 224G. Les experts estiment que LPO ne peut pas répondre aux exigences de 224G SerDes.

Les progrès de l’industrialisation de la LPO

Des solutions LPO ont effectivement été proposées par certaines entreprises auparavant, mais elles n'ont donné aucun résultat en raison de limitations techniques. Lors de la conférence OFC de cette année, la LPO a été à nouveau proposée et est rapidement devenue le centre de l'attention de l'industrie.    

AWS, Meta, Microsoft, Google et d'autres clients majeurs du marché international ont exprimé leur intérêt pour le LPO. De nombreux géants de la communication optique ont également investi des ressources dans la recherche et le développement. Actuellement, FiberMall a lancé une solution LPO 800G.

Récemment, certaines entreprises auraient dû réaliser des expéditions à petite échelle. La clé de la solution LPO réside dans la puce. Les principaux fournisseurs de TIA & Driver à haute linéarité sont Macom, Semtech, Maxlinear et autres.

Selon les prévisions, la LPO atteindra une commercialisation à grande échelle d'ici 2024. Les institutions les plus optimistes du secteur estiment que la LPO pourra occuper la moitié de la part de marché à l'avenir. Les institutions plus conservatrices estiment que la part du CPO/LPO atteindra environ 30 % d’ici 2026.

Conclusion

LPO est une technologie qui équilibre et fait des compromis. Il s'adapte à un scénario d'application spécifique (courte distance) et renonce au DSP/CDR, ce qui entraîne une légère perte de performances (taux d'erreur sur les bits). Cependant, cela réduit également la consommation d’énergie, les coûts et la latence. Il présente des avantages et des inconvénients différents de ceux du CPO. Bien qu’il soit apparu plus tard que CPO, il sera déployé plus rapidement que CPO.

Suivant la tendance actuelle, le LPO sera la voie technologique la plus prometteuse de l’ère 800G. Au fur et à mesure que la vague AIGC progresse, le réseau optique du centre de données passera à 800G. L’âge d’or de la LPO approche.