光通信新技術:什么是LPO?

                                                  光纖在線編輯部  2023-09-27 08:26:18  文章來源:原文轉載  

                                                  導讀:2023年3月OFC起,LPO成為了行業非;馃岬募夹g,到2023年9月CIOE,各光模塊廠商紛紛DEMO展示400G及800G ,本篇詳細介紹光模塊新方案——LPO

                                                  9/27/2023,光纖在線訊,從2023年3月OFC起,LPO成為了行業非;馃岬募夹g,到2023年9月CIOE,各光模塊廠商紛紛DEMO展示400G及800G ,本篇詳細介紹光模塊新方案——LPO

                                                  近年來,光通信產業的發展勢頭很猛,在5G、寬帶中國、東數西算等國家戰略的持續刺激下,國內光通信技術取得了巨大突破,光基礎設施也有了質的飛躍。特別是今年,AIGC大模型爆火,智算和超算崛起,更是帶動了光通信的新一波發展熱潮。骨干網400G即將全面落地,數據中心800G和1.6T也躍躍欲試。


                                                  OSPF的演進(來源:Arista Network)


                                                  光通信演進的挑戰
                                                  其實,光通信的技術迭代,并不是簡單的數字翻倍。進入400G階段后,我們要解決的問題,不僅僅是速率的提升,更包括高速率所帶來的功耗和成本問題。速率提升就像汽車運貨。當運載的貨物越來越重,就需要升級發動機。而發動機的排量越大,油耗就越大,發動機價格和油費也會越多。

                                                  我們就以光模塊為例。

                                                  作為光網絡的關鍵器件,也是用得最多的器件,光模塊一直以來都是行業關注的焦點。它的功耗和價格,和用戶采購意愿息息相關。早在2007年的時候,一個萬兆(10Gbps)的光模塊,功率才1W左右。隨著40G、100G、400G、800G的迭代,光模塊的功耗一路飆升,直逼30W。

                                                  要知道,一個交換機可不止一個光模塊。滿載的話,往往就有幾十個光模塊(假如有48個,就是48×30=1440W)。一般來說,光模塊的功耗大約占整機功耗的40%以上。這就意味著,整機的功耗極大可能會超過3000W。

                                                  光通信設備的能耗激增,也給整個數據中心的能耗及成本帶來了巨大的壓力,極不利于通信網絡的雙碳目標。


                                                  相比2010年,光器件能耗將增加26倍。(圖片來自思科)


                                                  為了解決光通信速率攀升帶來的能耗問題,行業進行了大量的技術探索。去年很火的CPO,就是解決方案之一。今年,在CPO之外,行業又提出了一個新方案,這就是——LPO。

                                                  什么是LPO
                                                  LPO,英文全稱叫Linear-drive Pluggable Optics,即線性驅動可插拔光模塊。從名字可以看出,它是一種光模塊封裝技術。所謂“可插拔(Pluggable)”,我們平時看到的光模塊,都是可插拔的。如下圖所示,交換機上有光模塊的端口,把對應的光模塊插進去,就能插光纖了。如果壞了,也可以換。



                                                  LPO強調“可插拔”,是為了和CPO方案相區分。CPO方案里,光模塊是不可以插拔的。光模塊(光引擎)被移動到了距離交換芯片更近的位置,直接“綁”在一起了


                                                  那么,LPO和傳統光模塊的關鍵區別,就在于線性驅動(Linear-drive)了。所謂“線性驅動”,是指LPO采用了線性直驅技術,光模塊中取消了DSP(數字信號處理)/CDR(時鐘數據恢復)芯片。

                                                  問題來了——什么是線性直驅呢?DSP發揮什么作用?為什么可以被取消?取消之后,會帶來什么影響?

                                                  這里,我們還是先從光模塊的基本架構開始講起。光模塊傳輸,就是電信號變成光信號,光信號又變成電信號的過程。


                                                  在發送端,信號經過數模轉換(DAC),從數字信號變成模擬信號。在接收端,模擬信號經過模數轉換(ADC),又變成數字信號。一頓操作下來,得到的數字信號就有點亂,有點失真。這時候,需要DSP,對數字信號進行“修復”。

                                                  DSP就是一個跑算法的芯片。它擁有數字時鐘恢復功能、色散補償功能(去除噪聲、非線性干擾等因素影響),可以對抗和補償失真,降低失真對系統誤碼率的影響。



                                                  (注意:DSP這個東西,也不是所有的傳統光模塊都有。但是,在高速光模塊中,對信號要求高,所以基本需要DSP。)

                                                  除了DSP之外,光模塊中主要的電芯片還包括激光驅動器(LDD)、跨阻放大器(TIA)、限幅放大器(LA)、時鐘數據恢復芯片(CDR,Clock and Data Recovery)等。CDR也是用于數據還原。它從接收到的信號中提取出數據序列,并且恢復出與數據序列相對應的時鐘時序信號,從而還原接收到的具體信息。

                                                  DSP的功能很強大。但是,它的功耗和成本也很高。例如,在400G光模塊中,用到的7nm DSP,功耗約為4W,占到了整個模塊功耗的50%左右。



                                                  從成本的角度來看,400G光模塊中,DSP的BOM(Bill of Materials,物料清單)成本約占20-40%。LPO方案,就是把光模塊中的DSP/CDR芯片干掉,將相關功能集成到設備側的交換芯片中。

                                                  光模塊中,只留下具有高線性度的Driver(驅動芯片)和TIA(Trans-Impedance Amplifier,跨阻放大器),并分別集成CTLE(Continuous Time Linear Equalization,連續時間線性均衡)和EQ(Equalization,均衡)功能,用于對高速信號進行一定程度的補償。



                                                  LPO的優點
                                                  LPO的優點,歸納來說,就是:低功耗、低成本、低延時、易維護。

                                                  低功耗
                                                  沒有了DSP,功耗肯定是下降了。根據Macom的數據,具有DSP功能的800G多模光模塊的功耗可超過13W,而利用MACOM PURE DRIVE技術的800G多模光模塊功耗低于4W。

                                                  低成本
                                                  DSP的BOM成本約占20-40%,這個就沒有了。Driver和TIA集成了EQ,成本略有增加,但整體還是下降的。有業界機構分析:800G光模塊中,BOM成本約為600~700美金,DSP芯片的成本約為50~70美金。Driver和TIA里集成了EQ功能,成本會增加3~5美金。算下來,系統總成本可以下降大約8%,大約50~60美金。值得一提的是,DSP也是博通、Inphi等少數廠商所掌握的技術。取消了DSP,從某種程度上來說,也減少了對少數廠商的依賴。

                                                  低時延
                                                  沒有了DSP,減少了一個處理過程,數據的傳輸時延也隨之下降。這個優點,對于AI計算和超級計算場景尤為重要。

                                                  易維護
                                                  這是相對于CPO方案來說的。CPO方案中,如果系統中任何一個器件壞了,就要下電,把整個板子換掉,維護起來很不方便。LPO的封裝沒有顯著改變,支持熱插拔,簡化了光纖布線和設備維護,使用上更加方便。

                                                  LPO的當前挑戰
                                                  通信距離短
                                                  去掉DSP,當然還是有代價的。TIA和Driver芯片并不能完全替代DSP,所以,會導致系統的誤碼率提升。誤碼率高了,傳輸距離自然就短了。行業普遍認為,LPO只適用于特定的短距離應用場景。例如,數據中心機柜內服務器到交換機的連接,以及數據中心機柜間的連接等。發展初級的LPO,連接距離從幾米到幾十米。未來,可能會拓展到500米以內。

                                                  標準化剛起步
                                                  目前,LPO的標準化還處于早期階段,在互聯互通上可能會存在一些挑戰。對于企業來說,如果采用LPO,那么,需要具備一定的技術能力,能夠制定技術規格和方案,能夠探索設備和模塊的邊界條件,能夠進行大量的集成、互聯互通測試。

                                                  換言之,LPO目前更適合較為封閉和供應商單一的系統。如果采用多供應商,自己又沒有實力駕馭,那么,可能存在“問題較難界定,相互扯皮”的問題,還不如使用傳統DSP方案。此外,也有專家指出,LPO給系統側的電通道設計帶來了一定挑戰。目前SerDes主流規格是112G,很快將升級到224G。專家們認為,LPO沒辦法跟上224G SerDes的要求。

                                                  LPO的產業化進展
                                                  LPO方案其實之前就有企業提出過,但是因為技術限制,沒有做出什么成果。今年的OFC大會上,LPO再次被提出,很快成為行業關注的焦點。AWS、Meta、微軟、谷歌等國際市場主要客戶,都對LPO表示了興趣。眾多光通信巨頭,也紛紛投入資源進行研發。

                                                  LPO方案的關鍵,還是在于芯片。高線性度TIA&Driver的主要供應商,有Macom、Semtech、美信等.根據預測,樂觀的認為:2024年,LPO將實現規模商業化,未來LPO能占據一半的市場份額。有些則認為,CPO/LPO的份額將在2026年達到30%左右。

                                                  結語
                                                  LPO的邏輯本質,就是平衡和取舍。它基于特定的應用場景(短距離),舍棄了DSP/CDR,犧牲了一點性能(誤碼率),但是,換來了更低的功耗、成本和時延。




                                                  它和CPO各有所長,雖然誕生的時間比CPO更晚,但落地的速度,會比CPO更快。按目前的趨勢,LPO將是800G時代最具潛力的技術路線。隨著AIGC浪潮的發展,數據中心光網絡將加速向800G演進。LPO的黃金時代,即將到來。


                                                  來源鮮棗課堂 



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