В чём разница между CPO и LPO

В чём разница между CPO и LPO

Традиционные оптические модули функционируют независимо от переключающих ASIC и соединяются с другими электронными компонентами через медные кабели или оптоволокно. Такой способ подключения часто приводит к значительным затратам энергии и потерям сигнала при передаче данных на высоких скоростях. Особенно важно отметить, что с увеличением скорости сети с 400G до 800G и даже до 1.6T, и с прогнозами о том, что она скоро достигнет 3.2T, проблема потребления энергии становится всё более актуальной.

Потребляемая мощность модулей SFP составляет приблизительно 2 Вт, тогда как оптические модули 100G имеют мощность в диапазоне от 1.5 до 3 Вт. Для оптических модулей 400G потребление может достигать 12 Вт, а модули 800G варьируются от 12 до 16 Вт.

С ростом скорости передачи данных энергопотребление отдельных оптических модулей пропорционально увеличивается, что приводит к значительному росту общего потребления энергии системы.

С точки зрения конструкции устройства, при удвоении скорости сигнала с 56 Гбит/с до 112 Гбит/с, потери на дорожках печатной платы, даже с применением современных материалов, также увеличиваются почти вдвое для заданной длины.

Обычно, чем короче электрический канал и чем меньше переходов (таких как разъемы и переходные отверстия), тем проще решать задачи, связанные с целостностью сигнала. Это способствовало тенденции размещения оптических компонентов ближе к ASIC, что позволяет эффективно снижать энергопотребление.

На основе этого подхода были разработаны два основных решения:

• Совместно упакованная оптика (CPO): оптические и электрические компоненты интегрированы в одном корпусе.
• Линейная фотонная оптика (LPO): подключаемые модули с линейными оптическими приводами.

Эволюция от подключаемых модулей к CPO и LPO проиллюстрирована на схеме.

Что такое комбинированная оптика (CPO)?

Как уже упоминалось, традиционные оптические модули не зависят от ASIC для коммутации и подключаются к другим электронным элементам с использованием медных кабелей или оптических волокон. Такой подход зачастую ведет к высокому энергопотреблению и потерям сигнала при передаче данных на больших скоростях.

CPO представляет собой решение данной проблемы. Объединяя оптический модуль и коммутационную ASIC в одной упаковке, можно существенно уменьшить расстояние, на котором происходит преобразование сигнала между электрическими и оптическими областями, а также снизить расстояние передачи. Это ведет к значительному снижению энергопотребления, улучшению целостности сигнала, уменьшению задержек и сокращению занимаемого пространства.

На диаграмме демонстрируется эволюция от традиционных ЦАП, использующих медные провода и подключаемые оптические устройства, к оптическим системам с 3D-интеграцией в CPO.

Как видно из представленной выше схемы, данный процесс не является одноэтапным и включает в себя несколько стадий минимизации линейного расстояния соединения, начиная с околокорпусной оптики NPO и завершая CPO.

NPO изолирует оптический механизм от чипа коммутатора, после чего оба компонента интегрируются на одной системной плате.

CPO, с другой стороны, объединяет коммутационный чип и оптический механизм в едином слоте, что позволяет осуществить совместную упаковку чипа и модуля.

В отличие от NPO, модуль CPO располагается ближе к ASIC хоста, что приводит к снижению потерь в канале и уменьшению энергопотребления.

В настоящее время выделяют три этапа упаковки CPO (Chip-Photonics Optics):

CPO типа A (соответствует 4-й стадии сверху вниз на рисунке 3 — 2,5D CPO)

CPO типа B (соответствует 5-му этапу сверху вниз на рисунке 3 — 2,5D Chiplet CPO)

C-тип CPO (соответствует 6-й стадии сверху вниз на рисунке 3 — 3D CPO)

Основная характеристика при переходе от типа A к типу C заключается в том, что оптический механизм и ASIC переключателя располагаются все ближе друг к другу.

На выставке OFC такие известные компании, как Intel и Cisco, продемонстрировали продукты типа CPO A. Модули данного типа выделяются тем, что чип и оптический модуль являются полностью стандартизированными и независимыми компонентами, которые совместно упакованы на печатной плате. Расстояние между оптическим механизмом и чипом составляет около 10 см, а oDSP исключается.

Упаковка CPO типа A

На выставке OFC компания Broadcom представила свой коммутатор Bailly 51.2T, который использует решение типа CPO B. Он оснащён 8 оптическими модулями 6.4T-FR4 Bailly SCIP и оптоволоконными разъёмами Broadcom (BFC). Отличие от CPO A-типа минимально — ASIC и оптический модуль всё ещё являются относительными независимыми компонентами, однако внедрена технология упаковки в интегральной схеме. Это позволяет расположить два компонента на расстоянии всего лишь нескольких сантиметров.

Платформа CPO Broadcom Bailly SCIP

Корпус 3D CPO типа C представляет собой идеальную форму CPO, которая действительно объединяет кремниевый фотонный чип с другими (например, графическими процессорами, Lanswitch, HBM и др.) в одном большом корпусе.

Одной из главных задач CPO является снижение потребления энергии. Как видно на рисунке, основная часть энергопотребления оптического модуля 400G ZR сосредоточена в DSP. Следовательно, вне зависимости от того, идёт ли речь о CPO или LPO (который будет обсужден позже), главной целью остаётся минимизация DSP.

Тем не менее, нельзя утверждать, что CPO полностью свободен от DSP. Для обеспечения высокоскоростной модуляции и демодуляции, кодирования и декодирования, а также компенсации сигнала, CPO по-прежнему требует интеграции функциональности DSP или плотного взаимодействия с чипом, обладающим возможностями DSP. В рамках решения CPO, DSP может быть напрямую интегрирован в микросхему внутри корпуса или близко соединён через крайне компактное и эффективное соединение для достижения необходимых функций обработки сигналов.

Стандарты CCITA CPO и Чиплетов

Что такое технология LPO

LPO, или оптика с линейным приводом, представляет собой инновационное решение для упаковки оптических модулей. Независимо от того, речь идет о CPO или LPO, одной из главных задач в сравнении с традиционными оптическими модулями является уменьшение потребления энергии, при этом энергозатраты DSP достигают наивысших значений среди всех компонентов модуля.

Ключевой аспект LPO заключается в устранении DSP (обработки сигналов на цифровом уровне). В каналах передачи данных используются исключительно линейные аналоговые компоненты, без применения CDR или DSP. Вместо DSP здесь применяется микросхема трансимпедансного усилителя (TIA) и драйвера, которые обеспечивают высокую линейность и отличные возможности коррекции.

В 2023 году ODCC опубликовал технический документ о применении оптических модулей LPO 112G. Конструкция модуля LPO выглядит следующим образом:

• Удаляются компоненты перезапуска CDR/oDSP
• Используются микросхемы TIA и драйверов с более высокой производительностью и более мощными возможностями компенсации SI
• Интегрируются некоторые функции компенсации в микросхему ASIC сетевого устройства
• Восстановление сигнала и цифровая компенсация сигнала, которые изначально выполнялись oDSP, теперь распределяются между сетевым устройством ASIC, драйвером и TIA.

Что касается интерфейсов, то у LPO нет строгих требований к форм-фактору модулей. Это могут быть QSFP, QSFP-DD, OSFP и другие форматы, в которых могут быть реализованы решения LPO.

В сфере производства микросхем компании, которые относительно других не сильны в DSP, такие как Macom, Semtech и Maxlinear, активно развивают решения LPO. Основная мотивация состоит в том, чтобы обходить ограничения DSP с помощью инновационного подхода LPO. На данный момент стандартизация решений LPO все еще находится на начальном этапе, в основном касаясь электрических и оптических интерфейсов.

Электрический интерфейс в основном базируется на протоколе CEI-112G-Linear-PAM4 от OIF. По состоянию на апрель 2024 года стандарт CEI-112G-Linear-PAM4 достиг значительных успехов и был принят в отрасли.

Все подключаемые оптические модули должны соответствовать протоколам IEEE802.3. Если LPO сможет соответствовать протоколам 802.3, он сможет обеспечить истинную «совместимость» в полном смысле этого слова.

Различия между CPO и LPO

Как CPO, так и LPO все еще находятся на стадии активной разработки. Каждая технология имеет свои особенности и достоинства. Основное направление CPO заключается в интегрированной оптико-электрической упаковке, созданной для высокоскоростных соединений с высокой плотностью. LPO, в свою очередь, сосредоточена на простоте подключения и экономичности, что делает её более подходящей для передачи данных на коротких дистанциях. В случае с технологией CPO, если возникает сбой в системном оборудовании, необходимо отключить питание и заменить всю плату, что создает неудобства во время технического обслуживания.

В отличие от этого, оптические модули LPO обеспечивают возможность замены без отключения всей системы, что значительно повышает удобство работы с решениями LPO и упрощает прокладку оптоволоконных кабелей, а также обслуживание оборудования.

Таким образом, LPO представляет собой эволюционное решение для подключаемых оптических модулей, которое проще в реализации и более надежно по сравнению с CPO.

Тем не менее, некоторые эксперты выражают мнение, что LPO создает определенные трудности при проектировании электрического канала на стороне системы. В настоящее время основная спецификация SerDes составляет 112 Гбит/с и вскоре будет обновлена до 224 Гбит/с. По мнению специалистов, LPO может не обеспечить необходимых характеристик для соответствия требованиям 224 Гбит/с.