LPO 광트랜시버 모듈이란 무엇입니까?

최근 광통신 산업은 급속도로 발전하고 있다. 5G와 AI를 중심으로 광통신 기술은 획기적인 발전을 이루었고, 광 인프라도 질적 도약을 이루었습니다. 특히 올해는 AIGC 대형 모델이 인기를 끌면서 지능형 컴퓨팅과 슈퍼컴퓨팅이 부상하며 광통신 분야의 새로운 발전 붐을 일으켰다. 백본 네트워크 400G는 곧 완전히 구축될 예정이며, 데이터 센터 800G와 1.6T도 시도에 열중하고 있습니다.

광통신 발전의 과제

사실 광통신의 기술 반복은 단순히 숫자를 두 배로 늘리는 것이 아닙니다.

400G 단계에 진입한 이후에는 속도 향상뿐 아니라 고속화에 따른 전력 소모와 비용 문제도 해결해야 한다. 속도 향상은 트럭 배송과 같습니다. 화물이 점점 무거워지면 엔진을 업그레이드해야 합니다. 엔진 배기량이 클수록 연료 소비가 높아지고 엔진 가격과 연료비도 증가합니다.

우리는 광학 모듈을 예로 들어 보겠습니다.

광 네트워크의 핵심 장치이자 가장 많이 사용되는 장치인 광 모듈은 항상 업계의 관심의 초점이었습니다. 소비전력과 가격은 사용자의 구매의도와 밀접한 관련이 있다.

2007년에는 10기가비트(10Gbps) 광 모듈의 전력이 약 1W에 불과했습니다.

40G, 100G, 400G, 800G에서는 광모듈의 전력소모가 30W로 급증했다.

스위치에는 둘 이상의 광 모듈이 있을 수 있다는 점을 인식하는 것이 중요합니다. 풀로드하면 광모듈이 수십 개가 되는 경우가 많다(48개가 있으면 48×30=1440W).

일반적으로 광학 모듈의 전력 소비는 전체 기계 전력 소비의 약 40% 이상을 차지합니다. 이는 전체 기계의 전력 소비가 3000W를 초과할 가능성이 높다는 것을 의미합니다.

광통신 장비의 에너지 소비 급증은 전체 데이터 센터의 에너지 소비와 비용에 엄청난 압력을 가하며, 이는 통신 네트워크의 탄소 정점 및 탄소 중립 목표에 매우 해를 끼칩니다.

2010년과 비교하면 광학기기의 에너지 소비량은 26배 증가할 것으로 예상된다.

광통신의 보급률 증가로 인한 에너지 소비 문제를 해결하기 위해 업계에서는 많은 기술 탐구를 진행해 왔습니다.

지난해 큰 인기를 끌었던 CPO도 그 솔루션 중 하나다. 올해는 이외에도 CPO, 업계에서는 LPO라는 새로운 프로그램을 내놓았습니다.

LPO 란 무엇입니까?

LPO는 Linear-drive Pluggable Optics라는 영어의 전체 이름입니다.

이름에서 알 수 있듯이 광모듈 패키징 기술이다.

아래 그림과 같이 스위치에 광 모듈 포트가 있으며, 해당 광 모듈을 여기에 삽입한 다음 광섬유를 연결할 수 있습니다. 깨진 경우 교체도 가능합니다.

LPO는 광 모듈을 플러그형으로 사용할 수 없는 CPO 솔루션과 구별하기 위해 "플러그형"을 강조합니다. 광학 모듈(광 엔진)은 스위칭 칩에 더 가까이 이동하여 직접 "연결"됩니다.

LPO와 기존 광학 모듈의 주요 차이점은 선형 드라이브입니다.

일명 '리니어 드라이브'란 LPO가 리니어 다이렉트 드라이브 기술을 채택하고 광모듈에서 DSP(디지털 신호 처리)/CDR(클럭 데이터 ​​복구) 칩을 없애는 것을 의미한다.

그렇다면 리니어 다이렉트 드라이브란 무엇이고, DSP의 역할은 무엇이고, 왜 없앨 수 있을까? 왜 취소될 수 있나요? 제거의 영향은 무엇입니까?

광 모듈의 기본 아키텍처부터 시작해 보겠습니다.

광 모듈 전송, 즉 전기 신호를 광 신호로, 광 신호를 전기 신호로 변환하는 과정입니다.

송신단에서 신호는 디지털-아날로그 변환기(DAC)를 거쳐 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환합니다. 수신단에서는 아날로그 신호가 ADC(아날로그-디지털 변환)를 거쳐 다시 디지털이 됩니다.

한 번의 작업 후에 얻은 디지털 신호는 약간 지저분하고 왜곡됩니다. 이때 디지털 신호를 '수리'하는 DSP가 필요합니다.

DSP는 알고리즘을 실행하는 칩입니다. 디지털 클록 복구 기능과 분산 보상 기능(노이즈, 비선형 간섭 및 기타 요소 제거)이 있어 왜곡을 방지 및 보상하고 시스템 BER 영향에 대한 왜곡을 줄일 수 있습니다.

(참고: DSP는 모든 기존 광 모듈에서 사용할 수 없습니다. 그러나 고속 광 모듈에서는 신호 요구 사항이 높기 때문에 기본적으로 DSP가 필요합니다.)

광 모듈의 주요 전기 칩에는 DSP 외에도 레이저 드라이버(LDD), 트랜스임피던스 증폭기(TIA), 제한 증폭기(LA), 클럭 및 데이터 복구 칩(CDR)이 포함됩니다.

CDR은 데이터 복원에도 사용됩니다. 수신된 신호에서 데이터 시퀀스를 추출하고, 데이터 시퀀스에 해당하는 클럭 타이밍 신호를 복원하여 수신된 특정 정보를 복원합니다.

DSP는 매우 강력합니다. 그러나 전력 소비와 비용도 높습니다.

예를 들어,의 400G 광학 모듈, 7nm DSP를 사용하여 전력 소비는 약 4W로 전체 모듈 전력 소비의 약 50%를 차지합니다.

비용 측면에서 400G 광모듈에서 DSP의 BOM(Bill of Materials) 비용은 약 20~40%를 차지한다.

LPO 솔루션은 광모듈에 있는 DSP/CDR 칩을 빼고 관련 기능을 기기측 스위칭 칩에 통합하는 것이다.

광모듈에는 선형성이 높은 Driver(Driver Chip)와 TIA(Trans-Impedance Amplifier)만 남았고, 높은 선형성을 보상하기 위해 CTLE(Continuous Time Linear Equalization), EQ(Equalization, Equalization) 기능을 각각 통합했다. - 어느 정도 속도 신호를 보냅니다. Equalization) 기능이 내장되어 고속 신호를 어느 정도 보상해줍니다.

LPO의 장점

LPO의 장점은 저전력 소비, 저비용, 낮은 대기 시간, 유지 관리 용이성으로 요약됩니다.

낮은 전력 소비

DSP가 없으면 전력 소비가 확실히 줄어듭니다.

Macom의 데이터에 따르면 DSP 기능이 있는 800G 다중 모드 광 모듈의 전력 소비는 13W를 초과할 수 있는 반면, 800G MACOM PURE DRIVE 기술을 활용하는 다중 모드 광 모듈은 4W 미만입니다.

저렴한 비용으로

이것은 자명합니다. 앞서 언급한 대로 DSP의 BOM 비용은 약 20~40%를 차지하는데, 이는 제거된다. 드라이버와 TIA는 EQ를 통합하므로 비용이 약간 증가하지만 전체 비용은 여전히 ​​감소합니다. 업계 분석에 따르면 800G 광학 모듈의 BOM 비용은 약 600~700달러이고 DSP 칩 비용은 약 50~70달러입니다. 드라이버와 TIA는 EQ 기능을 통합하므로 비용이 미화 3~5달러 증가합니다. 이러한 방식으로 계산하면 전체 시스템 비용은 약 8%, 약 50-60달러 절감될 수 있습니다. DSP는 Broadcom, Inphi 등 몇몇 제조업체가 보유하고 있는 기술이기도 합니다. DSP를 취소하면 일부 제조업체에 대한 의존도도 어느 정도 줄어듭니다.

낮은 대기 시간

DSP가 없으면 하나의 처리 단계가 줄어들고 데이터 전송 지연도 줄어듭니다. 이러한 이점은 AI 컴퓨팅 및 슈퍼컴퓨팅 시나리오에 특히 중요합니다.

쉬운 유지 보수

이는 CPO 솔루션과 관련이 있습니다. CPO 솔루션에서는 시스템의 장치 중 하나라도 고장이 나면 전원을 공급해야 합니다. off 보드 전체를 교체해야 하는데 이는 유지보수가 매우 불편합니다. LPO의 포장은 크게 변경되지 않았으며 핫 스왑을 지원하고 광섬유 배선 및 장비 유지 관리를 단순화하며 사용하기가 더 편리합니다.

LPO의 현재 과제

짧은 통신 거리

DSP를 제거하려면 비용을 지불해야 합니다. TIA와 드라이버 칩은 DSP를 완전히 대체할 수 없으므로 시스템의 비트 오류율이 높아집니다. 비트 오류율이 높을수록 전송 거리는 자연스럽게 짧아집니다. 업계에서는 일반적으로 LPO가 특정 단거리 애플리케이션 시나리오에만 적합하다고 믿습니다. 예를 들어, 데이터 센터 캐비닛 내 서버와 스위치 간의 연결, 데이터 센터 캐비닛 간의 연결 등이 있습니다. LPO의 초기 개발은 몇 미터에서 수십 미터까지의 거리를 연결할 수 있다. 앞으로는 500m 이내까지 확장될 수도 있다.

표준화는 이제 시작이다

현재 LPO의 표준화는 아직 초기 단계이므로 상호 운용성에 몇 가지 문제가 있을 수 있습니다. 기업의 경우 LPO를 채택하는 경우 특정 기술 역량을 갖추고, 기술 사양 및 솔루션을 공식화할 수 있어야 하며, 장치 및 모듈의 경계 조건을 탐색할 수 있어야 하며, 수많은 통합 및 상호 운용성 테스트를 수행할 수 있어야 합니다.

즉, LPO는 현재 상대적으로 폐쇄적이고 단일 공급업체 시스템에 더 적합합니다. 다수의 공급업체를 이용하고 이를 통제할 힘이 없다면 “문제 정의의 어려움, 상호 회피” 등의 문제가 발생할 수 있는데, 이는 기존 DSP 솔루션을 사용하는 것보다 더 나쁘다.

또한 일부 전문가들은 LPO가 시스템 측면의 전기 채널 설계에 몇 가지 문제를 가져온다고 지적했습니다. 현재 SerDes의 주류 사양은 112G이며 곧 224G로 업그레이드될 예정입니다. 전문가들은 LPO가 224G SerDes의 요구 사항을 따라갈 수 없다고 생각합니다.

LPO의 산업화 진행

LPO 솔루션은 실제로 이전에도 일부 기업에서 제안됐으나 기술적인 한계로 인해 아무런 성과를 내지 못했다. 올해 OFC 컨퍼런스에서는 LPO가 다시 제안되었으며 곧 업계의 관심의 초점이 되었습니다.    

AWS, Meta, Microsoft, Google 및 기타 주요 국제 시장 고객이 LPO에 관심을 표명했습니다. 많은 광통신 대기업들도 연구 개발에 자원을 투자했습니다. 현재 FiberMall은 800G LPO 솔루션을 출시했습니다.

최근 일부 기업은 소규모 출하를 달성했어야 했다. LPO 솔루션의 핵심은 칩에 있습니다. 고선형 TIA 및 드라이버의 주요 공급업체는 Macom, Semtech, Maxlinear 등입니다.

예측에 따르면 LPO는 2024년까지 대규모 상용화를 달성할 것으로 예상된다. 업계에서는 보다 낙관적인 기관에서 LPO가 향후 시장 점유율의 절반을 차지할 수 있다고 믿고 있다. 보다 보수적인 기관에서는 CPO/LPO의 비중이 30년까지 약 2026%에 이를 것으로 보고 있습니다.

결론

LPO는 균형과 타협을 이루는 기술입니다. 특정 애플리케이션 시나리오(단거리)에 적응하고 DSP/CDR을 포기하므로 ​​약간의 성능 손실(비트 오류율)이 발생합니다. 그러나 전력 소비, 비용 및 대기 시간도 줄어듭니다. CPO와는 다른 장점과 단점이 있습니다. CPO보다 늦게 등장했지만 CPO보다 빠르게 배포될 예정이다.

현재 추세에 따르면 LPO는 800G 시대의 가장 잠재력 있는 기술 경로가 될 것입니다. AIGC 물결이 진행되면서 데이터센터 광네트워크는 800G로 발전하게 된다. LPO의 황금시대가 다가오고 있다.