Por que é necessário remover o chip DSP nos links do módulo óptico LPO? 

Se você acompanha a indústria de módulos ópticos, certamente já ouviu a frase "A tecnologia LPO precisa eliminar o chip DSP". Por quê? Para responder a essa pergunta, precisamos primeiro esclarecer dois conceitos fundamentais: o que é LPO e qual o papel do DSP em módulos ópticos. Isso explicará por que a LPO visa "eliminar" o DSP. Este artigo explica a lógica técnica e o contexto industrial para ajudá-lo a entender melhor o assunto.

O que são LPO e DSP?

LPO (Óptica Plugável de Acionamento Linear)

LPO é um novo tipo de solução tecnológica de módulo óptico que surgiu no campo das comunicações ópticas nos últimos anos. Pertence à categoria de "módulo óptico plugável" (semelhante aos formatos comuns QSFP e OSFP).

Recurso principal: Ele usa Unidade Linear Tecnologia para substituir o tradicional chip de "Processamento Digital de Sinais (DSP)" em módulos ópticos. Ao simplificar o link de processamento de sinal, reduz o consumo de energia, a latência e o custo.

DSP (Processador de Sinal Digital)

Nos módulos ópticos tradicionais de alta velocidade (como 200G/400G/800G), o DSP é um dos chips principais. Suas principais funções são:

• Compensação de sinal: Realiza compensação algorítmica digital para distorção (como dispersão, ruído e perda não linear) gerada durante a transmissão do sinal.
• Codificação/Decodificação: Implementa mapeamento e demodulação de sinais para modulação de alta ordem (como PAM4, 16QAM).
• Recuperação do relógio: Sincroniza os relógios de dados nas extremidades de transmissão e recepção para garantir a precisão da transmissão.
• Equalização e correção de erros: Utiliza algoritmos de equalização adaptativa para cancelar a interferência do canal e reduzir a taxa de erro de bits.

Por que a LPO precisa remover o chip DSP?

A intenção original do projeto LPO é resolver os problemas causados ​​pelo DSP em módulos ópticos tradicionais. Portanto, é necessário "remover" ou "contornar" o chip DSP. Isso pode ser compreendido sob quatro perspectivas: consumo de energia, latência, custo e dissipação de calor.

Consumo de energia: O DSP é um núcleo de alta potência, o LPO precisa "reduzir o consumo de energia".

• Em módulos ópticos tradicionais de alta velocidade (por exemplo, 400G), o consumo de energia do chip DSP é extremamente alto (representando cerca de 30% a 50% da potência total). Por exemplo, o consumo de energia do DSP de um Módulo óptico 400G pode atingir 15-20W, fazendo com que o consumo de energia de todo o módulo ultrapasse 30W.
• A tecnologia LPO utiliza circuitos de acionamento linear (como amplificadores de transimpedância linear [TIA] e drivers de laser linear [LD Driver]) para lidar diretamente com a conversão de sinais elétricos e ópticos, eliminando a etapa de processamento digital (DSP). Isso pode reduzir o consumo total de energia do módulo óptico em 30% a 50% (por exemplo, de 30 W para menos de 15 W). Essa característica é crucial para cenários de implantação de alta densidade, como data centers, onde o baixo consumo de energia significa menor necessidade de refrigeração, custos de eletricidade mais baixos e maiores taxas de utilização dos racks.

Latência: o "processamento digital" do DSP introduz atraso adicional.

• O processamento digital de sinais (DSP) requer processamento digital, como amostragem, quantização e compensação algorítmica. Esse processo introduz latência na ordem de microssegundos ou até mesmo nanossegundos (dependendo da complexidade do algoritmo). Em cenários sensíveis à latência, como computação de alto desempenho (HPC) e treinamento/inferência de inteligência artificial (IA), o aumento da latência pode afetar a eficiência geral do sistema.
• O LPO completa a amplificação e conversão do sinal diretamente através de circuitos de acionamento linear, eliminando as etapas de processamento digital do DSP. A latência pode ser reduzida em mais de 50% (por exemplo, de microssegundos para sub-microssegundos), tornando-o mais adequado para aplicações de baixa latência.

Custo: O DSP é o componente de maior custo dos módulos ópticos.

• Os chips DSP de alta gama (como as soluções da Broadcom e da Inphi) são caros, representando de 20% a 40% do custo total do módulo óptico. Por exemplo, o custo do DSP para um módulo óptico de 400G pode chegar a centenas de dólares. Ao eliminar o DSP, o custo da lista de materiais (BOM) do módulo óptico pode ser reduzido em 20% a 30%, o que é significativo para o controle de custos em implantações de grande escala (como interconexões de data centers).

Dissipação de calor: o alto consumo de energia do DSP agrava o aquecimento do módulo.

• Processadores de sinal digital (DSPs) de alta potência causam o aumento da temperatura interna dos módulos ópticos, exigindo dissipadores de calor ou ventiladores adicionais, o que aumenta o volume do módulo e a complexidade do projeto. A característica de baixo consumo de energia do LPO reduz a pressão térmica, permitindo projetos de módulos mais compactos (como encapsulamentos mais finos) para atender aos requisitos de portas de switches/roteadores de alta densidade.

Desafios técnicos e soluções para a "remoção do DSP"

O LPO não simplesmente "desativa" o DSP; em vez disso, ele compensa as funções ausentes do DSP através de Circuitos de acionamento linear + otimização em nível de sistema.

Os principais desafios são: 

• Compensação da distorção do sinal: Os DSPs tradicionais compensam a distorção do sinal por meio de algoritmos. O LPO depende do projeto de hardware de circuitos de acionamento linear (como TIA de alta precisão, driver de LD) e da cooperação de equipamentos upstream (como ASICs de chaveamento), compartilhando a tarefa de compensação por meio de "Pré-distorção" ou "Correção de Erro Direta (FEC)".
• Supressão de ruído: Os algoritmos DSP podem suprimir ruídos. O LPO precisa otimizar o projeto do circuito analógico (por exemplo, componentes de baixo ruído, camadas de blindagem) para reduzir o impacto do ruído.
• Compatibilidade: O LPO precisa trabalhar em sinergia com as interfaces do Switch/Roteador (como SerDes) para garantir a correspondência do formato do sinal.

Explicação simples: como o acionamento linear "preenche a lacuna"

Se o que foi dito acima ainda for difícil de entender, vamos simplificar ao máximo: por que o módulo óptico ainda funciona após a remoção do DSP e como exatamente o circuito de acionamento linear "assume o controle"?

Analisando o papel do DSP em módulos ópticos

Imagine o módulo óptico como um "Correio":

• Os dados saem do interruptor como uma sequência de sinais elétricos (0s e 1s).
• O módulo óptico converte o sinal em sinais ópticos (usando o laser ligado/desligado para representar 0 e 1) e o envia para a fibra.
• O módulo óptico receptor converte o sinal óptico de volta em um sinal elétrico para o dispositivo na outra extremidade.
• Durante esse processo, o sinal elétrico fica "deformado" (distorcido), mistura-se com ruído ou sofre desalinhamento temporal devido à qualidade da linha, mudanças de temperatura e qualidade da fibra.

O DSP age como um "técnico de reparos de alto nível": Ao receber um sinal deformado, o processador usa algoritmos matemáticos para repará-lo ao seu estado original (compensando a dispersão, reduzindo o ruído, ajustando o clock, corrigindo erros). O problema é: o DSP é excelente em sua função, mas consome muita energia, tem alta latência e é caro.

Ideia da LPO: Podemos dispensar esse técnico de reparos, ou podemos fazer com que outras etapas realizem o trabalho antecipadamente, economizando assim com o técnico?

Qual a função do circuito de acionamento linear?

Os circuitos de acionamento linear são circuitos puramente de hardware (sem cálculos digitais complexos), incluindo:

• Driver de laser linear (Driver LD): Responsável por amplificar diretamente o sinal elétrico e acionar o laser para emitir luz.
• Amplificador de Transimpedância Linear (TIA): Responsável por converter o sinal óptico fraco recebido de volta em um sinal elétrico e amplificá-lo.

Sua característica é “Linearidade”O sinal de saída varia proporcionalmente à amplitude do sinal de entrada, sem a necessidade de operações matemáticas adicionais. Em outras palavras: o DSP era um... “Técnico de Reparos Inteligente” enquanto o Linear Drive é um “Movimento Preciso” + “Medidas Auxiliares Pré-preparadas”. Ele depende da precisão do hardware e do trabalho colaborativo para reduzir erros de sinal.

Como os circuitos de acionamento linear "preenchem a lacuna" das funções de DSP

As funções principais de um DSP são de quatro tipos: Compensação de Sinal, Codificação/Decodificação, Recuperação de Clock e Equalização/Correção de Erros. O LPO (Low Processing Operator) ignora ou compartilha essas tarefas das seguintes maneiras:

(1) Compensação de sinal — Depende da “Pré-distorção a montante” e da “Precisão do hardware” 

• Pré-distorção a montante: Antes de o sinal entrar no módulo óptico, o ASIC (Circuito Integrado de Aplicação Específica) do switch já realizou uma pré-distorção (torção) no sinal via software/hardware, de forma a cancelar exatamente a distorção encontrada durante a transmissão subsequente. Assim, quando o módulo óptico o recebe, o sinal está basicamente correto e não precisa que o DSP o recalcule.
• Aprimoramento da precisão do hardware: Os circuitos de acionamento linear utilizam componentes de maior precisão (lasers de baixo ruído, amplificadores de baixa deriva) para minimizar a distorção durante a conversão, reduzindo a quantidade que "precisa de reparo" na fonte.

Analogia: Anteriormente, o entregador (DSP) recebia uma caixa danificada e a consertava por conta própria; agora, a caixa é reforçada antes do envio (pré-distorção + hardware de alta precisão), então o entregador apenas a transporta e não precisa consertá-la.

(2) Codificação/Decodificação — Utiliza Modulação mais simples ou fixa 

• O DSP consegue lidar com modulações muito complexas (como PAM4, 16QAM), mas o LPO geralmente usa modulações mais simples (como NRZ ou PAM4 simples) porque a modulação complexa exige computação digital massiva, atingindo exatamente o ponto fraco do DSP (ou melhor, tornando necessário o seu uso).
• Alternativamente, em cenários de curta distância (dentro de centros de dados), a modulação de baixa ordem é usada diretamente porque o próprio sinal é menos propenso a erros, portanto, a decodificação complexa por um DSP não é necessária.

Analogia: Antes, o técnico conseguia consertar vários cadeados de combinação complexos; agora, enviamos pacotes com "código claro" — basta lê-los ao recebê-los, sem necessidade de decodificação.

(3) Recuperação de relógio — Depende de “Taxa fixa + Sincronização externa” 

• O DSP pode extrair informações de clock do sinal para alinhar o ritmo das extremidades de recepção e transmissão.
• O LPO alterna para transmissão de taxa fixa (ou seja, ambas as partes concordam com a taxa antecipadamente) e usa uma fonte de clock externa (fornecida pelo switch) para sincronização direta, pulando a etapa de "adivinhar" o clock a partir do sinal.

Analogia: Antes, o técnico de som adivinhava o ritmo ouvindo o som. Agora, todos usam o mesmo metrônomo diretamente, sem necessidade de adivinhação.

(4) Equalização e correção de erros — Depende do compartilhamento de FEC 

• O DSP utiliza algoritmos de equalização adaptativa para ajustar os sinais em tempo real.
• O LPO delega essa tarefa a Correção de erro de encaminhamento (FEC)—adicionando códigos de verificação redundantes aos dados. Depois que a extremidade receptora detecta um erro, ela usa esses códigos para corrigi-lo automaticamente. A FEC pode ser realizada pelo switch ou outros chips, sem a necessidade do DSP no módulo óptico para calculá-la em tempo real.

Analogia: Antes, o técnico consertava os danos ao receber o pacote; agora, o pacote vem com peças de reposição (FEC), então, se algo estiver quebrado, basta substituir pela peça de reposição, sem necessidade de reparos temporários.

Efeitos e custos do acionamento linear

(1) Efeitos:

• Economia de energia: Eliminou o alto consumo de energia do DSP.
• Latência reduzida: Menos tempo gasto em computação digital.
• Custo reduzido: Os processadores de sinal digital (DSPs) são caros.
• Pressão térmica reduzida. 

(2) Custos (Compensações): 

• Requisitos de qualidade de link mais elevados: Como não existe um processador de sinal digital (DSP) para reparo em tempo real, o sinal precisa ser o mais "limpo" possível.
• Adequado para curtas distâncias/baixo ruído: Ideal para ambientes como racks de data center; não é adequado para longas distâncias ou canais agressivos.
• Requer cooperação entre os setores de produção e distribuição: Os switches e as fibras precisam ser otimizados, caso contrário o desempenho será prejudicado.

Resumo: A essência do LPO: "Remoção do DSP" 

A essência de "remover o chip DSP" em LPO é reconstruir o link de processamento de sinal do módulo óptico por meio da tecnologia de acionamento linear. Isso é alcançado com base em “Limpeza prévia do sinal + hardware de alta precisão + compartilhamento externo/upstream de tarefas de reparo.” 

Essa solução exige sacrificar alguns aspectos. “robustez do sinal em cenários complexos” como uma contrapartida para obter as vantagens de baixo consumo de energia, baixa latência e baixo custoIsso torna essa tecnologia mais adequada para cenários de curta distância, alta largura de banda e baixa latência (como interconexões internas de data centers), enquanto que para cenários de longa distância e alto ruído (como transmissão entre cidades), os módulos ópticos tradicionais com DSP continuam sendo insubstituíveis.