CPO와 LPO의 차이점은 무엇입니까

펠리삭

광학 기술자

기존의 광 모듈은 스위칭 ASIC과 독립적이며 구리 케이블이나 광섬유를 통해 다른 전자 부품에 연결됩니다. 이러한 접근 방식은 고속 데이터 전송 중에 상당한 전력 소비와 신호 손실을 초래하는 경우가 많습니다. 특히, 네트워크 속도가 400G에서 800G, 심지어 1.6T까지 발전했고, 곧 3.2T에 도달할 것으로 예상되면서 전력 소모 문제는 더욱 두드러졌습니다.

SFP 모듈의 전력 소비는 약 2W이고, 100G 광학 모듈은 일반적으로 1.5W ~ 3W입니다. 400G QSFP-DD DR4 광 모듈은 12W 내에서 제어할 수 있으며, 800G 광 모듈의 범위는 12W~16W입니다.

데이터 속도가 증가함에 따라 개별 광 모듈의 전력 소비가 선형적으로 증가하여 전체 시스템 전력 소비가 크게 증가했습니다.

장치 패키징 관점에서 신호 속도가 56Gbps에서 112Gbps로 두 배가 되면 고급 PCB 재료를 사용하더라도 저손실 PCB 트레이스의 삽입 손실도 주어진 트레이스 길이에 대해 대략 두 배가 됩니다.

일반적으로 전기 채널이 짧고 중간 변환(비아, 커넥터)이 적을수록 신호 무결성 문제를 관리하기가 더 쉽습니다. 이로 인해 광학 장치를 ASIC에 더 가깝게 통합하는 경향이 생겨 전력 소비를 효과적으로 줄일 수 있습니다.

이 원칙을 기반으로 두 가지 주요 솔루션이 등장했습니다.

공동 패키지 광학(CPO): 광학 및 전기 구성 요소가 공동 패키지됩니다.
LPO(선형 광자 광학): 선형 광학 드라이버가 포함된 플러그형 모듈입니다.

플러그형 모듈에서 CPO 및 LPO로의 발전이 다이어그램에 설명되어 있습니다.

차례

공동 패키지 광학(CPO)이란 무엇입니까?

앞서 언급했듯이 기존 광 모듈은 스위칭 ASIC과 독립적이며 구리 케이블이나 광섬유를 통해 다른 전자 부품에 연결됩니다. 이러한 접근 방식은 고속 데이터 전송 중에 상당한 전력 소비와 신호 손실을 초래하는 경우가 많습니다.

CPO는 이러한 문제를 해결하기 위한 솔루션입니다. 광 모듈과 스위칭 ASIC을 긴밀하게 함께 패키징함으로써 전기 도메인과 광 도메인 간의 신호 변환 거리와 전송 거리를 크게 줄일 수 있습니다. 이를 통해 전력 소비를 크게 낮추고 신호 무결성을 개선하며 대기 시간을 줄이는 동시에 전체 설치 공간도 줄일 수 있습니다.

아래 다이어그램은 CPO의 기존 구리 기반 DAC 및 플러그형 광학 장치에서 3D 통합 광학 장치로의 발전을 보여줍니다.

위 다이어그램에서 볼 수 있듯이 NPO 니어 패키지 광학부터 시작하여 CPO까지 연결의 선형 거리를 최소화하는 방법에 관한 한 단계 프로세스는 아닙니다.

NPO는 스위치 칩에서 광학 엔진을 분리한 다음 동일한 시스템 보드에 조립합니다.

반면 CPO는 스위칭 칩과 광학 엔진을 하나의 슬롯에 직접 조립해 칩과 모듈의 공동 패키징을 구현한다.

NPO에 비해 CPO의 모듈은 호스트 ASIC에 더 가깝기 때문에 채널 손실과 전력 소비가 더 낮습니다.

현재 CPO(Chip-Photonics Optics) 패키징에는 세 단계가 있습니다.

A형 CPO(그림 4 – 3D CPO의 위에서 아래로 2.5단계에 해당)

B형 CPO(그림 5 – 3D Chiplet CPO의 위에서 아래로 2.5단계에 해당)

C형 CPO(그림 6 – 3D CPO의 위에서 아래로 3단계에 해당)

A타입부터 C타입까지 광학엔진과 스위치 ASIC이 점점 더 가깝게 배치되는 것이 핵심특징이다.

올해 OFC에서는 인텔, 시스코 등 주요 기업들이 A형 CPO 제품을 선보였다. A형 CPO는 칩과 광학 모듈이 완전히 표준화되고 독립적인 구성 요소로 PCB 기판에 함께 패키징되는 것이 특징입니다. 광학엔진과 칩 사이의 거리는 10cm 이내로, oDSP가 제거됐다.

OFC에서 Broadcom은 51.2개의 8T-FR6.4 Bailly SCIP 광학 엔진과 Broadcom 파이버 커넥터(BFC)를 갖춘 B형 CPO 솔루션을 사용하는 Bailly 4T 스위치를 선보였습니다. A형 CPO와의 차이는 크지 않습니다. ASIC과 광학 모듈은 여전히 상대적으로 분리되어 있지만 웨이퍼 레벨 패키징 기술을 도입하여 두 구성 요소를 단 몇 센티미터의 거리로 더 가깝게 만듭니다.

C형 3D CPO 패키징은 실리콘 포토닉스 칩과 다른 베어 다이(예: GPU, Lanswitch, HBM 등)를 하나의 대형 패키지에 통합하는 궁극적인 형태의 CPO입니다.

CPO의 목표 중 하나는 전력 소비를 줄이는 것입니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 400G ZR 광 모듈의 전력 소비는 대부분 DSP에 집중되어 있습니다. 따라서 CPO이든 나중에 논의되는 LPO이든 핵심 설계는 DSP를 제거하는 것입니다.

하지만 CPO에 DSP가 없다고는 말할 수 없습니다. 고속 신호 변조/복조, 인코딩/디코딩 및 신호 보상을 실현하려면 CPO는 여전히 DSP 기능을 통합하거나 DSP 기능이 있는 칩과 긴밀하게 협력해야 합니다. CPO 솔루션에서 DSP는 패키지 내의 칩에 직접 통합되거나 매우 작고 효율적인 연결을 통해 긴밀하게 연결되어 필요한 신호 처리 기능을 달성합니다.

LPO 기술이란?

LPO(Linear-drive Pluggable Optics)는 광학 모듈 패키징 기술입니다. CPO든 LPO든 기존 광 모듈에 비해 주요 목표 중 하나는 전력 소비를 줄이는 것이며 DSP의 전력 소비는 전체 모듈 중에서 가장 높습니다.

LPO의 핵심 특징은 DSP가 없다는 점이다. 데이터 링크는 CDR이나 DSP 설계 없이 선형 아날로그 구성요소만 사용합니다. 이는 DSP를 높은 선형성과 균등화 기능을 갖춘 TIA(Transimpedance Amplifier) 및 드라이버(DRIVER) 칩으로 대체합니다.

ODCC는 112년 2023G LPO 광모듈 애플리케이션에 대한 백서를 발표했다. LPO 모듈 다음과 같습니다 :

CDR/oDSP 리타이머 구성 요소를 제거합니다.
더 나은 성능과 강력한 SI 보상 기능을 갖춘 TIA 및 DRIVER 칩을 사용합니다.
일부 보상 기능을 네트워크 장치 ASIC 칩에 통합합니다.
원래 oDSP에 의해 수행된 신호 재생성과 디지털 신호 보상은 이제 네트워크 장치 ASIC, DRIVER 및 TIA 간에 분할됩니다.

인터페이스 측면에서 LPO는 QSFP, QSFP-DD, 모듈 패키징에 대한 요구 사항이 없습니다. OSFP, OSFPXD 또는 기타 LPO 솔루션을 구현할 수 있습니다.

업계에서는 메이콤, 셈텍, 맥스리니어 등 DSP에 상대적으로 취약한 칩 업체들이 LPO를 적극적으로 추진하고 있다. 가장 큰 이유는 LPO 솔루션을 통해 DSP 단점을 우회하기를 희망하기 때문이다. 현재 LPO 솔루션 표준화는 아직 성숙되지 않았으며 주로 전기 인터페이스와 광학 인터페이스를 포함합니다.

전기 인터페이스는 주로 OIF의 CEI-112G-Linear-PAM4 프로토콜입니다. 2024년 112월 마지막 업데이트를 기준으로 CEI-4G-Linear-PAM800 표준은 상당한 진전을 이루었으며 업계에서 채택 및 구현되었습니다. Hisense와 같은 회사는 이미 이 표준을 기반으로 하는 XNUMXG 선형 상호 연결 광케이블을 출시했습니다.

광 인터페이스의 경우 IEEE802.3 시리즈 프로토콜은 성숙하고 널리 사용되는 표준이며 모든 리타이머 유형 플러그형 광 모듈은 이러한 프로토콜을 준수해야 합니다. LPO가 802.3 프로토콜을 준수할 수 있다면 최대한의 의미에서 진정한 "상호 운용성"을 달성할 수 있습니다.