Почему необходимо удалять микросхему DSP в оптических модулях связи LPO? 

Если вы следите за индустрией оптических модулей, вы часто будете слышать фразу «LPO необходимо исключить DSP-чип». Почему? Чтобы ответить на этот вопрос, нам сначала нужно прояснить два ключевых понятия: что такое LPO и роль DSP в оптических модулях. Это объяснит, почему LPO стремится «исключить» DSP. В этой статье объясняется техническая логика и отраслевой контекст, чтобы помочь вам лучше это понять.

Что такое LPO и DSP?

LPO (Линейно-приводная сменная оптика)

LPO — это новый тип технологического решения в области оптических модулей, появившийся в последние годы в сфере оптической связи. Он относится к категории «подключаемых оптических модулей» (аналогично распространенным форм-факторам QSFP и OSFP).

Основная особенность: Он использует Линейный привод Эта технология призвана заменить традиционные микросхемы цифровой обработки сигналов (DSP) в оптических модулях. Упрощение канала обработки сигнала позволяет снизить энергопотребление, задержку и стоимость.

DSP (цифровой сигнальный процессор)

В традиционных высокоскоростных оптических модулях (таких как 200G/400G/800G) цифровой сигнальный процессор (DSP) является одним из основных чипов. Его основные функции:

• Компенсация сигнала: Выполняет цифровую алгоритмическую компенсацию искажений (таких как дисперсия, шум и нелинейные потери), возникающих во время передачи сигнала.
• Кодирование/декодирование: Реализует отображение сигналов и демодуляцию для модуляции высокого порядка (например, PAM4, 16QAM).
• Восстановление тактовой частоты: Синхронизирует тактовые генераторы данных на передающей и приемной сторонах для обеспечения точности передачи.
• Выравнивание и коррекция ошибок: Использует адаптивные алгоритмы эквализации для подавления помех в канале и снижения частоты битовых ошибок.

Почему LPO необходимо удалить микросхему DSP

Первоначальная цель проектирования LPO заключалась в решении проблем, вызванных наличием DSP в традиционных оптических модулях. Поэтому необходимо «удалить» или «обойти» микросхему DSP. Это можно понять с четырех точек зрения: энергопотребление, задержка, стоимость и тепловыделение.

Энергопотребление: DSP — это энергоемкое ядро, LPO необходимо «снизить энергопотребление».

• В традиционных высокоскоростных оптических модулях (например, 400G) энергопотребление DSP-чипа чрезвычайно велико (составляя около 30–50% от общей потребляемой мощности). Например, энергопотребление DSP в Оптический модуль 400G может достигать 15-20 Вт, в результате чего энергопотребление всего модуля превысит 30 Вт.
• В LPO используются линейные схемы управления (такие как линейные трансимпедансные усилители [TIA] и линейные драйверы лазеров [LD Driver]) для непосредственного преобразования электрических и оптических сигналов, что исключает цифровую обработку данных в DSP. Это позволяет снизить общее энергопотребление оптического модуля на 30–50% (например, с 30 Вт до менее 15 Вт). Это крайне важно для сценариев развертывания с высокой плотностью размещения, таких как центры обработки данных, где низкое энергопотребление означает меньшие требования к охлаждению, снижение затрат на электроэнергию и более высокую эффективность использования стоек.

Задержка: «Цифровая обработка» в цифровом сигнальном процессоре вносит дополнительную задержку.

• Цифровая обработка сигналов (DSP) требует цифровой обработки, такой как дискретизация, квантование и алгоритмическая компенсация. Этот процесс вносит задержку на уровне микросекунд или даже наносекунд (в зависимости от сложности алгоритма). В сценариях, чувствительных к задержке, таких как высокопроизводительные вычисления (HPC) и обучение/вывод ИИ, увеличение задержки может повлиять на общую эффективность системы.
• Технология LPO обеспечивает усиление и преобразование сигнала непосредственно через линейные схемы управления, исключая этапы цифровой обработки DSP. Задержка может быть уменьшена более чем на 50% (например, с микросекунд до субмикросекунд), что делает ее более подходящей для приложений с низкой задержкой.

Стоимость: Цифровой сигнальный процессор (DSP) — это «самый дорогой компонент» оптических модулей.

• Высокопроизводительные DSP-чипы (например, решения от Broadcom и Inphi) стоят дорого, составляя 20-40% от общей стоимости оптического модуля. Например, стоимость DSP для оптического модуля 400G может достигать сотен долларов. Исключение DSP позволяет снизить стоимость комплектующих (BOM) оптического модуля на 20-30%, что имеет важное значение для контроля затрат в крупномасштабных проектах (например, в системах межсоединений центров обработки данных).

Теплоотвод: Высокое энергопотребление DSP усугубляет нагрев модуля.

• Мощные цифровые сигнальные процессоры (DSP) приводят к повышению внутренней температуры оптических модулей, что требует дополнительных радиаторов или вентиляторов, увеличивая объем модуля и сложность конструкции. Низкое энергопотребление LPO снижает тепловое давление, позволяя создавать более компактные модули (например, в более тонком корпусе) для удовлетворения требований к высокой плотности портов коммутаторов/маршрутизаторов.

Технические проблемы и решения для «удаления цифровой обработки сигналов»

LPO не просто «отсекает» цифровой сигнальный процессор (DSP); вместо этого он компенсирует недостающие функции DSP посредством Линейные схемы управления + оптимизация на системном уровне.

Основные проблемы заключаются в следующем: 

• Компенсация искажений сигнала: Традиционные цифровые сигнальные процессоры (DSP) компенсируют искажения сигнала с помощью алгоритмов. LPO же должен полагаться на аппаратную конструкцию линейных схем управления (таких как высокоточные TIA, драйверы лазерных диодов) и взаимодействие с вышестоящим оборудованием (таким как ASIC-микросхемы коммутаторов), распределяя задачу компенсации посредством «предварительной коррекции искажений» или «прямой коррекции ошибок (FEC)».
• Подавление шума: Алгоритмы цифровой обработки сигналов (DSP) могут подавлять шум. Для снижения влияния шума необходимо оптимизировать конструкцию аналоговой схемы (например, использовать малошумящие компоненты, экранирующие слои).
• Совместимость: Для обеспечения согласования формата сигнала LPO должен работать в синергии с интерфейсами коммутатора/маршрутизатора (например, SerDes).

Объяснение для неспециалиста: как линейный привод «заполняет пробел»

Если вышеизложенное всё ещё сложно понять, давайте разберёмся на самых простых языках: почему оптический модуль продолжает работать после удаления DSP, и как именно схема линейного управления «берёт на себя управление»?

Обзор роли цифровой обработки сигналов в оптических модулях

Представьте себе оптический модуль как «Курьер»:

• Данные покидают коммутатор в виде последовательности электрических сигналов (0 и 1).
• Оптический модуль преобразует его в оптические сигналы (используя включение/выключение лазера для представления 0 и 1) и передает их по оптоволокну.
• Приемный оптический модуль преобразует оптический сигнал обратно в электрический сигнал для устройства на другом конце.
• В ходе этого процесса электрический сигнал «деформируется» (искажается), смешивается с шумом или испытывает сбои во временной синхронизации из-за качества линии, изменений температуры и качества волокна.

DSP действует как «высококвалифицированный специалист по ремонту»: При получении искаженного сигнала он использует математические алгоритмы для его восстановления до исходного состояния (компенсация дисперсии, снижение шума, корректировка тактовой частоты, исправление ошибок). Проблема в том, что цифровой сигнальный процессор отлично справляется со своей задачей, но потребляет много энергии, имеет высокую задержку и дорог.

Идея LPO: Можем ли мы обойтись без этого ремонтника, или же поручить выполнение работ другим подрядчикам заранее, сэкономив таким образом на оплате услуг ремонтника?

Для чего нужна схема линейного привода?

Линейные схемы управления представляют собой чисто аппаратные схемы (без сложных цифровых вычислений), в том числе:

• Драйвер линейного лазера (драйвер ЛД): Отвечает за непосредственное усиление электрического сигнала и управление лазером для излучения света.
• Линейный трансимпедансный усилитель (TIA): Отвечает за преобразование полученного слабого оптического сигнала обратно в электрический сигнал и его усиление.

Их отличительная черта заключается в следующем: «Линейность»Выходной сигнал изменяется пропорционально величине входного сигнала, без добавления множества математических операций. Это можно понять так: DSP был «Умный ремонтник» в то время как линейный привод является «Точный переезд» + «Заранее подготовленные вспомогательные меры». Он основан на точности аппаратного обеспечения и совместной работе для уменьшения ошибок сигнала.

Как линейные схемы управления «заполняют пробел» в функциях цифровой обработки сигналов.

Основные функции цифровой обработки сигналов (DSP) делятся на четыре типа: компенсация сигнала, кодирование/декодирование, восстановление тактовой частоты и эквализация/коррекция ошибок. LPO обходит или распределяет эти задачи следующим образом:

(1) Компенсация сигнала — основана на «предварительной коррекции восходящего потока» и «аппаратной точности» 

• Предварительное искажение на входе: Прежде чем сигнал попадет в оптический модуль, специализированная интегральная схема (ASIC) коммутатора предварительно обрабатывает (искажает) сигнал с помощью программного/аппаратного обеспечения, чтобы точно компенсировать искажения, возникающие при последующей передаче. Таким образом, когда оптический модуль принимает сигнал, он в основном точный и не требует повторной обработки цифровым сигнальным процессором (DSP).
• Повышение точности аппаратного обеспечения: В линейных схемах управления используются высокоточные компоненты (малошумящие лазеры, усилители с низким дрейфом) для минимизации искажений во время преобразования, что уменьшает объем искажений, требующих коррекции на источнике.

Аналогия: Раньше курьер (DSP) получал поврежденную коробку и ремонтировал ее сам; теперь же коробка укрепляется перед отправкой (предварительная деформация + высокоточная фурнитура), поэтому курьеру достаточно просто переместить ее, и ему не нужно ничего чинить.

(2) Кодирование/декодирование — Использует более простую или фиксированную модуляцию 

• DSP может обрабатывать очень сложные модуляции (например, PAM4, 16QAM), но LPO обычно использует более простые модуляции (например, NRZ или простую PAM4), поскольку сложные модуляции требуют масштабных цифровых вычислений, что точно соответствует слабому месту DSP (или, скорее, обуславливает необходимость его использования).
• В качестве альтернативы, в сценариях с короткими расстояниями (внутри центров обработки данных) используется модуляция низкого порядка напрямую, поскольку сам сигнал менее подвержен ошибкам, поэтому сложное декодирование с помощью цифрового сигнального процессора не требуется.

Аналогия: Раньше ремонтник мог починить различные сложные кодовые замки; теперь же мы отправляем пакеты с «чистым кодом» — вам нужно просто прочитать его при получении, расшифровка не требуется.

(3) Восстановление тактовой частоты — основано на «фиксированной частоте + внешней синхронизации» 

• Цифровой сигнальный процессор (DSP) может извлекать тактовую информацию из сигнала для согласования ритма приемной и передающей сторон.
• LPO переключается на передачу с фиксированной скоростью (например, обе стороны заранее согласовывают скорость) и использует внешний источник тактового сигнала (предоставляемый коммутатором) для прямой синхронизации, пропуская этап «угадывания» тактового сигнала по самому сигналу.

Аналогия: Раньше ремонтник определял ритм по звуку. Теперь все используют один и тот же метроном, и никаких догадок не требуется.

(4) Выравнивание и коррекция ошибок — основано на совместном использовании FEC. 

• Цифровая обработка сигналов (DSP) использует адаптивные алгоритмы эквализации для корректировки сигналов в реальном времени.
• LPO передает эту задачу Прямое исправление ошибок (FEC)— Добавление избыточных контрольных кодов к данным. После обнаружения ошибки принимающая сторона использует эти коды для ее автоматического исправления. Коррекция ошибок может выполняться коммутатором или другими микросхемами, без необходимости использования DSP в оптическом модуле для вычислений в реальном времени.

Аналогия: Раньше ремонтник устранял повреждения при получении посылки; теперь же в посылку входят запасные части (FEC), поэтому, если что-то сломалось, вы просто заменяете это запасной частью, временный ремонт не требуется.

Влияние и стоимость линейного привода

(1) Эффекты:

• Энергосбережение: Устранено высокое энергопотребление цифрового сигнального процессора.
• Уменьшенная задержка: Меньше времени тратится на цифровые вычисления.
• Уменьшенная стоимость: Цифровые сигнальные процессоры (DSP) стоят дорого.
• Сниженное тепловое давление. 

(2) Затраты (компромиссы): 

• Повышенные требования к качеству связи: Поскольку в системе отсутствует цифровая обработка сигналов (DSP) для восстановления в реальном времени, сигнал должен быть максимально «чистым».
• Подходит для коротких расстояний/низкого уровня шума: Лучше всего подходит для использования в помещениях, таких как серверные шкафы центров обработки данных; не подходит для передачи данных на большие расстояния или по труднопроходимым каналам.
• Требуется сотрудничество между поставщиками и потребителями: Коммутаторы и оптоволоконные кабели нуждаются в оптимизации, иначе производительность снизится.

Краткое содержание: Суть LPO «Устранение DSP» 

Суть «удаления микросхемы DSP» в LPO заключается в восстановлении канала обработки сигнала оптического модуля с помощью технологии линейного привода. Это достигается за счет использования «Предварительная очистка сигнала + высокоточное оборудование + обмен задачами по восстановлению с внешними поставщиками/поставщиками». 

Это решение требует некоторых жертв. «Устойчивость сигнала в сложных сценариях» в качестве компромисса для получения преимуществ Низкое энергопотребление, низкая задержка и низкая стоимостьЭто делает его более подходящим для сценариев передачи данных на короткие расстояния с высокой пропускной способностью и низкой задержкой (например, для внутренних межсоединений центров обработки данных), в то время как для сценариев передачи данных на большие расстояния с высоким уровнем шума (например, для передачи данных между городами) традиционные оптические модули с DSP остаются незаменимыми.