OCP 2025: FiberMall демонстрирует достижения в технологиях DSP, LPO/LRO и CPO для линий связи 1.6 Тл и выше.

Быстрое развитие искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения обуславливает острую потребность в более высокой пропускной способности в центрах обработки данных. На выставке OCP 2025 компания FiberMall представила несколько докладов, посвященных ее достижениям в области цифровых сигнальных процессоров (DSP) для трансиверов, предназначенных для приложений ИИ, а также технологиям LPO (Linear Pluggable Optics), LRO (Linear Receive Optics) и CPO (Co-Packaged Optics). Обсуждения были сосредоточены на показателях производительности, включая энергопотребление, энергоэффективность и оптические характеристики.

Компания FiberMall предоставила всестороннюю поддержку по оптическим разъемам и волоконно-оптическим компонентам в рамках архитектуры CPO, включая оптические модули CPO/NPO (OE), модули ELSFP, оптические разъемы, панели, решения для промежуточных плат и различные волоконно-оптические сборки. Кроме того, компания исследует два потенциальных пути достижения скорости 400 Гбит/с на канал: технологии InP-EML и тонкопленочного ниобата лития (TFLN). В целом, представленная информация была исчерпывающей и информативной.

Растущий спрос на пропускную способность и энергоэффективность в центрах обработки данных для ИИ.

Развитие искусственного интеллекта и машинного обучения ускоряет потребность в большей пропускной способности, при этом 224 Гбит/с на линию становится критически важным показателем. В то же время, глобальное энергопотребление центров обработки данных значительно растет. Объемы продаж Ethernet-трансиверов, классифицированных по скорости, а также прогнозы базового энергопотребления различного оборудования на период с 2020 по 2030 год подчеркивают необходимость повышения энергоэффективности.

Для решения проблем, связанных с растущей вычислительной мощностью и объемом передаваемых данных, повышение пропускной способности при одновременном достижении высокой энергоэффективности стало ключевой задачей в проектировании и эксплуатации центров обработки данных.

Оптические решения для межсоединений в системах искусственного интеллекта: DSP, LPO и LRO.

Оптические схемы в межсоединениях для искусственного интеллекта можно разделить на следующие основные категории:

1. Модули цифровой обработки сигналов с полной эквализацией (DSP) с возможностью подключенияЭти устройства обеспечивают надежную передачу сигнала и универсальность в различных условиях эксплуатации. Они обладают развитыми возможностями диагностики и мониторинга, а также проверенной совместимостью с продукцией разных производителей, что гарантирует надежность при крупномасштабных развертываниях. Однако обработка DSP приводит к увеличению энергопотребления и задержки.
2. LPO (линейная сменная оптика)Благодаря исключению обработки DSP, LPO обеспечивает минимальное энергопотребление модуля, простейшую конструкцию и более низкие рабочие температуры, гарантируя максимальную эффективность и минимальную задержку. Функции мониторинга ограничены, что требует более строгой проработки каналов связи для обеспечения гарантированной производительности. В соответствии со спецификациями LPO MSA поддерживается совместимость с продукцией разных производителей.
3. LRO (линейная приемная оптика)Этот подход обеспечивает баланс между энергопотреблением и надежностью. По сравнению с полноценными решениями DSP, LRO значительно снижает энергопотребление и задержку (хотя и выше, чем LPO), обеспечивая при этом умеренные возможности мониторинга и превосходную надежность по сравнению с чистым LPO. Экосистема развивается, и ее осуществимость подтверждена в системах 1.6 Тл.

Эти три подключаемых оптических модуля обладают различными преимуществами, что позволяет целенаправленно выбирать их в зависимости от требований системы искусственного интеллекта к мощности, дальности передачи и пропускной способности для оптимизации производительности межсоединений.

Кроме того, совместная упаковка оптических устройств с микросхемами ASIC существенно снижает потери в межсоединениях и значительно увеличивает пропускную способность. Использование линейных/прямых методов управления ASIC снижает энергопотребление и сокращает задержку отклика. Однако такой высокоинтегрированный подход создает новые проблемы в области технического обслуживания, надежности и производственных процессов, требуя одновременного учета этих факторов при проектировании и производстве.

Анализ энергопотребления в ускорителях ИИ

В структуре энергопотребления ускорителей ИИ наибольшую долю занимают оптические модули — приблизительно 49%, за ними следуют ASIC (28%), вентиляторы (10%) и ASIC SerDes (13%).

Для кластера из 400 000 графических процессоров GB300 сравнение энергопотребления в зависимости от типа оптического модуля показывает следующее:

• Модули на базе цифровой обработки сигналов: общая мощность 492 МВт.
• LPO: Снижение на 2% до 480 МВт.
• CPO: дальнейшее снижение на 10% до 434 МВт.

Благодаря точному распределению мощности для ключевых компонентов и постоянному повышению энергоэффективности, крупномасштабные системы искусственного интеллекта могут добиться значительно лучшего использования энергии.

DSP-процессоры, изготовленные по 3-нм техпроцессу, демонстрируют существенное снижение энергопотребления по сравнению с 5-нм версиями, сохраняя при этом превосходные характеристики. Интеграция технологий LRO и LPO еще больше снижает энергопотребление, обеспечивая выдающуюся эффективность для масштабируемых вычислений в области искусственного интеллекта.

Показатели производительности: мощность и энергоэффективность

На платформе 800G DR8:

• DSP: мощность 13 Вт, КПД 16.3 пДж/бит.
• LRO: мощность 8.5 Вт, КПД 10.6 пДж/бит.
• LPO: мощность 7.5 Вт, КПД 9.4 пДж/бит.

На платформе 1600G 2×DR4:

• DSP: мощность 21 Вт, КПД 13.1 пДж/бит.
• LRO: мощность 15 Вт, КПД 9.4 пДж/бит.
• LPO: мощность 10 Вт, КПД 6.3 пДж/бит.

Эти данные показывают, что, хотя мощность увеличивается с увеличением полосы пропускания, энергоэффективность повышается незначительно, при этом LPO демонстрирует наиболее выраженные преимущества в сценариях с высокой полосой пропускания.

LRO демонстрирует превосходные характеристики в конфигурациях 1.6 Тбит/с OSFP224 2×DR4 и 1.6 Тбит/с OSFP224 3 нм DSP+DR8. Измерения коэффициента битовых ошибок (BER) по всем 8 каналам показали значения значительно ниже 1e-4, что подтверждает целостность сигнала на уровне, соответствующем производственным стандартам.

Анализ энергопотребления и температуры, основанный на 2,200 точках данных с модулей 800G DR8, собранных при скоростях вращения вентилятора 50%, 75% и 100%, показывает, что LPO значительно снижает энергопотребление системы охлаждения. По сравнению с традиционными DSP-трансиверами, LPO снижает температуру рассеивания тепла примерно на 15°C в идентичных условиях, обеспечивая превосходную энергоэффективность и управление тепловым режимом.

Предварительные испытания модуля OSFP224 DR8 LPO со скоростью 1.6 Тбит/с показывают его готовность к применению в приложениях Ethernet LPO следующего поколения с пропускной способностью 1.6 Тбит/с. Тщательная проверка подтверждает, что модуль соответствует или превосходит проектные показатели по высокоскоростной передаче, коэффициенту ошибок (BER) и управлению питанием, подтверждая надежность и масштабируемость для сверхвысокопроизводительных каналов Ethernet.

Компания FiberMall завершила комплексную проверку сети OSFP224 2×DR4 со скоростью 1.6 Тбит/с, при этом показатели BER по всем каналам значительно ниже заявленных, что свидетельствует о готовности к крупномасштабному развертыванию.

FiberMall расширяет поддержку OSFP224 со скоростью 1.6 Тбит/с для каналов связи 2×VR4 (короткая дальность) и 2×FR4 (средняя дальность). Детальный анализ диаграммы глаз демонстрирует зрелость проекта на ранней стадии и высокую стабильность канала связи, обеспечивая всестороннее покрытие от кластеров вычислительных ресурсов ИИ на коротких расстояниях до более длинных межсоединений типа «spine-leaf».

Комплексная поддержка архитектур CPO

В рамках соглашений CPO компания FiberMall предлагает полный спектр поддержки оптических разъемов и волоконно-оптических компонентов, включая CPO/NPO OE, ELSFP, оптические разъемы, панели, решения для печатных плат и различные волоконно-оптические сборки, обеспечивая высокую надежность и превосходную производительность.

FiberMall также предлагает передовые решения для подключения и управления волоконно-оптическими кабелями. В конструкциях плат среднего размера используются конические наконечники MT для многоволоконных соединений, что упрощает внутреннее управление волокнами коммутатора, снижает риск обрыва и повышает гибкость маршрутизации.

Передние панели поддерживают традиционные интерфейсы MPO, а также варианты для сверхмалых форм-факторов (VSFF), такие как MMC и SNMT, для приложений с высокой плотностью размещения компонентов.

В сфере управления волоконно-оптическими кабелями:

• Прокладка оптоволоконных кабелей без пересечений, с использованием кассетных, предварительно отформованных компактных конструкций для упрощения установки и обслуживания.
• Инновационные решения для пересечения/смешивания:
  • 2D гибкая трассировка печатных платАвтоматизированная прокладка проводов, компактная многослойная компоновка для сложной трассировки в ограниченном пространстве, а также предварительно отформованные модульные конструкции для быстрой сборки и обслуживания.
  • 3D-матричная маршрутизация: Высокопроизводительный и надежный волоконно-оптический кабель без сращиваний.

Оптические модули CPO/NPO от FiberMall интегрируют кремниевые фотонные трансиверы для сверхвысокой плотности оптического ввода-вывода. Первоначальные характеристики рассчитаны на 3.2 Тл (32 × 100 Гбит/с) с возможностью масштабирования до 6.4 Тл (32 × 200 Гбит/с). Размеры соответствуют стандартам OIF, а электрические интерфейсы основаны на улучшенных спецификациях OIF для широкой совместимости. Для оконечного соединения волокон используются пигтейлы MPO, настраиваемые под конкретное применение. Система использует платформу FiberMall для 2.5D/3D-перевернутой кристаллической упаковки, обеспечивающую надежную высокоплотную инкапсуляцию и превосходные тепловые характеристики.

На выставочном стенде компания FiberMall продемонстрировала модуль ELSFP с выходной мощностью 25 дБм:

1. Версия OIF (бета-версия)Соответствует форм-фактору OIF ELSFP, имеет универсальные оптико-электрические интерфейсы и два порта MT; архитектура DR в диапазоне 1310 нм с 4/8 каналами (1304.5–1317.5 нм), SMSR ≥ 40 дБ, RIN ≤ -147 дБ/Гц, PER до 16 дБ; доступен в классах мощности VHP, UHP и SHP.
2. Пользовательская версия (в разработке)Поддерживает настраиваемые форм-факторы и приложения сквозной передачи, совместимые с многоволновыми схемами WDM.

Это решение обеспечивает высокую мощность, широкую полосу пропускания и низкий уровень шума, что особенно важно для высокоскоростных межсоединений и многоволновой передачи данных.

При проектировании оптического тракта особое внимание уделяется высокой эффективности связи, превосходному коэффициенту отражения (PER) и минимальным потерям на отражение. При проектировании печатных плат акцент делается на эффективности преобразования энергии и сверхнизком уровне шума. При проектировании тепловых систем снижается тепловое сопротивление между лазером и корпусом, что улучшает рассеивание тепла и обеспечивает долговременную надежность.

Пути к скорости 400 Гбит/с на канал и выше.

В стремлении к достижению скорости 400 Гбит/с на канал и более высоких скоростей исследования FiberMall сосредоточены на прорывах в двух ключевых оптоэлектронных устройствах:

• InP-EAM: Достижение полосы пропускания приблизительно 120 ГГц с уровнем 3 дБ.
• Кремниевые модуляторы TFLN: низкие потери (~0.2 дБ/см) и потери связи (~1 дБ/грань), полоса пропускания ~115 ГГц с уровнем 3 дБ, коэффициент усиления 4.5 дБ при напряжении возбуждения 0.8 В (пиковое значение).

Эти усовершенствования повышают эффективность и целостность сигнала в оптических межсоединениях сверхвысокой скорости следующего поколения.

Прогноз рынка лазеров CPO и мощных лазеров

Согласно общему мнению экспертов отрасли, развертывание портов CPO планируется в период «N+2», где «N» — текущий год. Соответственно, прогнозируется быстрый рост объемов поставок портов CPO (400G, 800G, 1.6T, 3.2T), и к 2030 году общий объем рынка достигнет приблизительно 5.4 миллиарда долларов.

Одновременно с этим будет расти спрос на лазерные чипы CPO, и к 2030 году объем рынка составит около 650 миллионов долларов. Ожидается, что мощные чипы (>500 мВт) займут более 80% рынка, став ключевыми для высокопроизводительных оптических межсоединений.

Заключение: Создание масштабируемой и энергоэффективной инфраструктуры искусственного интеллекта.

В эпоху расширения масштабов вычислительных мощностей в сфере ИИ ключевыми узкими местами являются ограничения пропускной способности и энергопотребления. Для достижения более высокой пропускной способности при строгом ограничении энергопотребления масштабирование кластеров ИИ требует более эффективных решений для передачи данных.

Современные варианты трансиверов — DSP, LPO, LRO и CPO — предлагают различные компромиссы в отношении дальности передачи, эффективности и интеграции. LPO достиг зрелости на уровне 800 Гбит/с и 1.6 Тбит/с, обеспечивая существенную экономию энергии при одновременном достижении целевых показателей производительности. Системы CPO, включающие оптические модули, внешние лазерные источники и волоконно-оптические компоненты, приближаются к зрелости для широкомасштабного внедрения.

В совокупности цифровая обработка сигналов, линейная оптика и CPO образуют масштабируемую и энергоэффективную основу для инфраструктуры искусственного интеллекта, способную удовлетворить будущие потребности в большей вычислительной мощности.