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到底什么是LPO?

網(wǎng)絡(luò) 通信技術(shù)
LPO的邏輯本質(zhì),就是平衡和取舍。它基于特定的應(yīng)用場景(短距離),舍棄了DSP/CDR,犧牲了一點(diǎn)性能(誤碼率),但是,換來了更低的功耗、成本和時(shí)延。

大家好,我是小棗君。

今天這篇文章,我們來聊一個(gè)最近非常火的光通信概念——LPO。

近年來,光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢頭很猛。

在5G、寬帶中國、東數(shù)西算等國家戰(zhàn)略的持續(xù)刺激下,國內(nèi)光通信技術(shù)取得了巨大突破,光基礎(chǔ)設(shè)施也有了質(zhì)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(dòng)了光通信的新一波發(fā)展熱潮。骨干網(wǎng)400G即將全面落地,數(shù)據(jù)中心800G和1.6T也躍躍欲試。

圖片圖片

OSPF的演進(jìn)(來源:Arista Network)

光通信演進(jìn)的挑戰(zhàn)

其實(shí),光通信的技術(shù)迭代,并不是簡單的數(shù)字翻倍。

進(jìn)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(yùn)貨。當(dāng)運(yùn)載的貨物越來越重,就需要升級發(fā)動(dòng)機(jī)。而發(fā)動(dòng)力的排量越大,油耗就越大,發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)格和油費(fèi)也會(huì)越多。

我們就以光模塊為例。

作為光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件,也是用得最多的器件,光模塊一直以來都是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。它的功耗和價(jià)格,和用戶采購意愿息息相關(guān)。

光模塊光模塊

早在2007年的時(shí)候,一個(gè)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(gè)交換機(jī)可不止一個(gè)光模塊。滿載的話,往往就有幾十個(gè)光模塊(假如有48個(gè),就是48×30=1440W)。

一般來說,光模塊的功耗大約占整機(jī)功耗的40%以上。這就意味著,整機(jī)的功耗極大可能會(huì)超過3000W。

光通信設(shè)備的能耗激增,也給整個(gè)數(shù)據(jù)中心的能耗及成本帶來了巨大的壓力,極不利于通信網(wǎng)絡(luò)的雙碳目標(biāo)。

相比2010年,光器件能耗將增加26倍。 (圖片來自思科)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(yè)進(jìn)行了大量的技術(shù)探索。

去年很火的CPO,就是解決方案之一。

CPO我之前專門進(jìn)行過介紹(鏈接:到底什么是NPO/CPO?),這里就不再詳細(xì)講了。

今年,在CPO之外,行業(yè)又提出了一個(gè)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(qū)動(dòng)可插拔光模塊。

從名字可以看出,它是一種光模塊封裝技術(shù)。

所謂“可插拔(Pluggable)”,我們平時(shí)看到的光模塊,都是可插拔的。

如下圖所示,交換機(jī)上有光模塊的端口,把對應(yīng)的光模塊插進(jìn)去,就能插光纖了。如果壞了,也可以換。

LPO強(qiáng)調(diào)“可插拔”,是為了和CPO方案相區(qū)分。CPO方案里,光模塊是不可以插拔的。光模塊(光引擎)被移動(dòng)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(tǒng)光模塊的關(guān)鍵區(qū)別,就在于線性驅(qū)動(dòng)(Linear-drive)了。

所謂“線性驅(qū)動(dòng)”,是指LPO采用了線性直驅(qū)技術(shù),光模塊中取消了DSP(數(shù)字信號處理)/CDR(時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù))芯片。

問題來了——什么是線性直驅(qū)呢?DSP發(fā)揮什么作用?為什么可以被取消?取消之后,會(huì)帶來什么影響?

這里,我們還是先從光模塊的基本架構(gòu)開始講起。

在之前介紹相干光技術(shù)(鏈接)的時(shí)候,小棗君提到過,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(fā)送端,信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC),從數(shù)字信號變成模擬信號。在接收端,模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC),又變成數(shù)字信號。

一頓操作下來,得到的數(shù)字信號就有點(diǎn)亂,有點(diǎn)失真。這時(shí)候,需要DSP,對數(shù)字信號進(jìn)行“修復(fù)”。

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

DSP的各種補(bǔ)償和估算DSP的各種補(bǔ)償和估算


DSP各模塊的作用DSP各模塊的作用

(注意:DSP這個(gè)東西,也不是所有的傳統(tǒng)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(qū)動(dòng)器(LDD)、跨阻放大器(TIA)、限幅放大器(LA)、時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)芯片(CDR,Clock and Data Recovery)等。

CDR也是用于數(shù)據(jù)還原。它從接收到的信號中提取出數(shù)據(jù)序列,并且恢復(fù)出與數(shù)據(jù)序列相對應(yīng)的時(shí)鐘時(shí)序信號,從而還原接收到的具體信息。

DSP的功能很強(qiáng)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(gè)模塊功耗的50%左右。

光模塊的功耗組成光模塊的功耗組成

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(guān)功能集成到設(shè)備側(cè)的交換芯片中。

光模塊中,只留下具有高線性度的Driver(驅(qū)動(dòng)芯片)和TIA(Trans-Impedance Amplifier,跨阻放大器),并分別集成CTLE(Continuous Time Linear Equalization,連續(xù)時(shí)間線性均衡)和EQ(Equalization,均衡)功能,用于對高速信號進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償。

如下圖所示:

LPO的優(yōu)點(diǎn)

LPO的優(yōu)點(diǎn),歸納來說,就是:低功耗、低成本、低延時(shí)、易維護(hù)。

  • 低功耗

沒有了DSP,功耗肯定是下降了。

根據(jù)Macom的數(shù)據(jù),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(shù)的800G多模光模塊功耗低于4W。

  • 低成本

這個(gè)也不用說了。前面提到DSP的BOM成本約占20-40%,這個(gè)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(yè)界機(jī)構(gòu)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(huì)增加3~5美金。算下來,系統(tǒng)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(shù)廠商所掌握的技術(shù)。取消了DSP,從某種程度上來說,也減少了對少數(shù)廠商的依賴。

  • 低時(shí)延

沒有了DSP,減少了一個(gè)處理過程,數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延也隨之下降。

這個(gè)優(yōu)點(diǎn),對于AI計(jì)算和超級計(jì)算場景尤為重要。

  • 易維護(hù)

這是相對CPO方案來說的。

CPO方案中,如果系統(tǒng)中任何一個(gè)器件壞了,就要下電,把整個(gè)板子換掉,維護(hù)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(shè)備維護(hù),使用上更加方便。

 LPO的當(dāng)前挑戰(zhàn)

  • 通信距離短

去掉DSP,當(dāng)然還是有代價(jià)的。TIA和Driver芯片并不能完全替代DSP,所以,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的誤碼率提升。誤碼率高了,傳輸距離自然就短了。

行業(yè)普遍認(rèn)為,LPO只適用于特定的短距離應(yīng)用場景。例如,數(shù)據(jù)中心機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器到交換機(jī)的連接,以及數(shù)據(jù)中心機(jī)柜間的連接等。

發(fā)展初級的LPO,連接距離從幾米到幾十米。未來,可能會(huì)拓展到500米以內(nèi)。

  • 標(biāo)準(zhǔn)化剛起步

目前,LPO的標(biāo)準(zhǔn)化還處于早期階段,在互聯(lián)互通上可能會(huì)存在一些挑戰(zhàn)。

對于企業(yè)來說,如果采用LPO,那么,需要具備一定的技術(shù)能力,能夠制定技術(shù)規(guī)格和方案,能夠探索設(shè)備和模塊的邊界條件,能夠進(jìn)行大量的集成、互聯(lián)互通測試。

換言之,LPO目前更適合較為封閉和供應(yīng)商單一的系統(tǒng)。如果采用多供應(yīng)商,自己又沒有實(shí)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(tǒng)DSP方案。

此外,也有專家指出,LPO給系統(tǒng)側(cè)的電通道設(shè)計(jì)帶來了一定挑戰(zhàn)。目前SerDes主流規(guī)格是112G,很快將升級到224G。專家們認(rèn)為,LPO沒辦法跟上224G SerDes的要求。

LPO的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

LPO方案其實(shí)之前就有企業(yè)提出過,但是因?yàn)榧夹g(shù)限制,沒有做出什么成果。

今年的OFC大會(huì)上,LPO再次被提出,很快成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

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(jìn)行研發(fā)。

目前,中際旭創(chuàng)、新易盛、劍橋科技等公司,均推出了800G LPO解決方案。近期,應(yīng)該已有企業(yè)實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模出貨。

LPO方案的關(guān)鍵,還是在于芯片。高線性度TIA&Driver的主要供應(yīng)商,有Macom、Semtech、美信等。

根據(jù)預(yù)測,2024年,LPO將實(shí)現(xiàn)規(guī)模商業(yè)化。行業(yè)里比較樂觀的機(jī)構(gòu)認(rèn)為,未來LPO能占據(jù)一半的市場份額。保守一些的機(jī)構(gòu)則認(rèn)為,CPO/LPO的份額將在2026年達(dá)到30%左右。。

結(jié)語

好啦,以上就是關(guān)于LPO的介紹。

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

它和CPO各有所長,雖然誕生的時(shí)間比CPO更晚,但落地的速度,會(huì)比CPO更快。

方案優(yōu)缺點(diǎn)的對比方案優(yōu)缺點(diǎn)的對比


按目前的趨勢,LPO將是800G時(shí)代最具潛力的技術(shù)路線。

隨著AIGC浪潮的發(fā)展,數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)絡(luò)將加速向800G演進(jìn)。LPO的黃金時(shí)代,即將到來。

責(zé)任編輯:武曉燕 來源: 鮮棗課堂
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