Wie verändert LPO 800G-Transceiver?

Angesichts der wachsenden Herausforderungen beim Stromverbrauch in der 800G-Transceiver-Konnektivität stellt sich die Frage: Gibt es eine Lösung, die den Stromverbrauch und die Kosten senkt, ohne die Flexibilität zu beeinträchtigen? Linear Pluggable Optics (LPO) bietet genau das. Dieser Artikel untersucht, wie LPO 800G-Optikmodule transformiert, und beleuchtet die sich wandelnden Rollen von CPO und LPO bei der Gestaltung der Zukunft von Rechenzentrumsnetzwerken.

Vor welchen Herausforderungen stehen traditionelle 800G-Module?

Die Weiterentwicklung der optischen Kommunikationstechnologie ist keine einfache Geschwindigkeitserhöhung, sondern ein Abwägen zwischen Energieverbrauch und Leistung. Wenn die Netzwerkgeschwindigkeit von 1G auf 800G, steigt die Komplexität der Signalverarbeitung exponentiell, was zu höherem Stromverbrauch, höheren Kosten und strengeren Anforderungen an die Wärmeableitung führt.

Optische Module, diese Kernkomponente bestimmt nahezu vollständig den Stromverbrauch und die Leistung der gesamten Rechenzentrumsverbindung. Frühe optische 10G-Module verbrauchten nur etwa 1W, während heutige 800G-Module nahezu 30W verbrauchen. Ein Switch benötigt häufig Dutzende optischer Module, die zusammenarbeiten, und der Gesamtstromverbrauch kann leicht Kilowatt übersteigen, wobei optische Module typischerweise über 40% des gesamten Energieverbrauchs ausmachen. Das bedeutet, dass jede Erhöhung der Datenrate Rechenzentren auf eine höhere Energieverbrauchsschwelle bringt.

Daher hat die Branche im Trend zu höherer Energieeffizienz, niedrigeren Kosten und einfacherem Systemdesign eine leichtere Lösung erforscht: LPO-Technologie.

Überblick über LPO-Transceiver

Was ist LPO-Verpackungstechnologie?

Ein LPO-Modul, oder Linear Pluggable Optics-Modul, ist eine Art optisches Modul für Rechenzentren, das den Stromverbrauch und die Latenz reduziert, indem es den DSP oder CDR entfernt. Anstelle des komplexen DSP verwenden LPO-Module hochlineare Transimpedanzverstärker (TIAs) und Treiber innerhalb des Moduls selbst und stützen sich auf Entzerrungsfunktionen, die in den ASIC der Host-Netzwerkausrüstung integriert sind. Dies macht LPO-Module zu einer kostengünstigen und energieeffizienten Lösung, insbesondere für Verbindungen über kürzere Entfernungen innerhalb eines Rechenzentrums.

Was ist DSP?

Ein DSP (Digital Signal Processor) ist ein Chip, der auf die digitale Hochgeschwindigkeits-Signalverarbeitung spezialisiert ist und für Aufgaben wie Signalausgleich, Verstärkung und Fehlerkorrektur verantwortlich ist. In herkömmlichen optischen Hochgeschwindigkeitsmodulen kompensiert der DSP effektiv die Signaldämpfung bei Übertragung über große Entfernungen, allerdings auf Kosten eines höheren Stromverbrauchs und höherer Gesamtkosten.

Hinweis: Nicht alle herkömmlichen optischen Module verwenden einen DSP. In Hochgeschwindigkeitsmodulen sind DSPs jedoch normalerweise erforderlich, um hohe Signalanforderungen sicherzustellen.

Was ist CDR?

CDR (Clock and Data Recovery) ist eine Schaltungstechnologie, die zur Wiederherstellung und Neutaktung von Signalen verwendet wird. In einigen optischen Low-Speed-Modulen wird CDR häufig eingesetzt, um die Signalübertragung zu stabilisieren, während es in High-Speed-Modulen typischerweise im DSP integriert ist. In der LPO-Architektur wird diese Funktion ebenfalls entfernt, was zu einem einfacheren und schlankeren Design des optischen Moduls führt.

LPO vs. traditionelle DSP-basierte Transceiver-Module: Was ist der Unterschied?

Anders als herkömmliche DSP-basierte Transceiver-Module, die LPO-Technologie vereinfacht das Design optischer Module, indem sie herkömmliche DSP- (digitale Signalverarbeitung) und CDR-Chips (Takt- und Datenrückgewinnung) entfernt; diese LPO-Module integrieren DSP-Funktionen in den Switching-Chip auf der Geräteseite. Stattdessen behalten LPO-Module hohllineare Treiber (Driver) und Transimpedanzverstärker (TIA) bei, die Funktionen für kontinuierliche lineare Entzerrung (CTLE) und Entzerrung (EQ) integrieren. Dieses vereinfachte Design reduziert den Stromverbrauch und die Latenz erheblich, obwohl es die Fehlerraten leicht erhöhen und die Übertragungsentfernungen begrenzen kann.

Wie transformiert LPO 800G-Glasfaser-Transceiver?

Reduzierter Stromverbrauch

Im Vergleich zu DSP-basierten 800G-Optikmodulen können 800G LPO-Module den Stromverbrauch um bis zu 50% senken und bieten damit einen erheblichen Vorteil für Rechenzentren, die ihren Energieverbrauch und ihre Betriebskosten reduzieren möchten. Ein geringerer Stromverbrauch bedeutet außerdem weniger Wärmeentwicklung in Switches und Servern, was zusätzlich zur allgemeinen Energieeffizienz beiträgt.

Übertragungslatenz verringern

Durch das Entfernen des DSP eliminieren LPO-Transceiver einen zusätzlichen Verarbeitungsschritt, was dazu beiträgt, die Latenz der Datenübertragung zu reduzieren. Laut Untersuchungen von Dell Technologies können linear steckbare Optiken die Latenz um bis zu 90 % senken.

Verbesserte Kosteneffizienz

Der DSP ist die teuerste Komponente in einem herkömmlichen steckbaren Modul, daher kann seine Entfernung zu erheblichen Kosteneinsparungen führen.

Hot-Swap-fähig und einfache Wartung

Im Vergleich zur CPO-Lösung bietet LPO größere Flexibilität und eine einfachere Wartung. In einem CPO-System muss bei Ausfall eines Geräts die gesamte Platine abgeschaltet und ersetzt werden, was äußerst unpraktisch ist. LPO hingegen behält ein traditionelles Hot-Plug-Design bei, das Hot Swapping unterstützt, die Glasfaserverkabelung und Gerätewartung vereinfacht und eine benutzerfreundlichere Lösung bietet.

Wo wird LPO in realen Szenarien eingesetzt?

High-Density-Rechenzentrumsverbindungen

Hyperscale-Rechenzentren erfordern einen massiven Datenaustausch zwischen Server-Clustern. Die DSP-Chips, die zur Signalkompensation in herkömmlichen steckbaren optischen Modulen verwendet werden, sind eine wesentliche Quelle des Stromverbrauchs. Durch das Entfernen des DSP reduziert LPO den Stromverbrauch einzelner optischer Module und die Latenz erheblich. Dadurch wird der Stromverbrauch von Racks in hochdichten Bereitstellungen reduziert, was es zu einer wichtigen Technologie für die Ermöglichung von Hochgeschwindigkeits-Rechenzentrumsverbindungen macht.

KI- und Machine-Learning-Workloads

KI- und Machine-Learning-Aufgaben erfordern einen Hochgeschwindigkeits-Datenaustausch mit geringer Latenz. Das LPO-Modul bietet eine extrem geringe Latenz, optimiert die Datenübertragung zwischen GPU-Clustern oder KI-Serverknoten und steigert die gesamte Recheneffizienz. Dadurch ist es besonders für Kommunikationsszenarien mit hoher Frequenz geeignet.

Welche Herausforderungen sollten bei LPO berücksichtigt werden?

Begrenzte Übertragungsdistanzen

Das Entfernen des DSP hat einen Nachteil. TIA- und Treiberchips können die Funktionen eines DSP nicht vollständig ersetzen, was zu einer höheren Bitfehlerrate führt. Folglich sind die Übertragungsdistanzen naturgemäß begrenzt. Die Branche betrachtet LPO im Allgemeinen nur für bestimmte Kurzstreckenanwendungen als geeignet, wie etwa Server-zu-Switch-Verbindungen innerhalb eines Rechenzentrumsracks oder Verbindungen zwischen benachbarten Racks. Frühe LPO-Implementierungen unterstützen Distanzen von wenigen Metern bis zu mehreren zehn Metern, mit möglichen zukünftigen Erweiterungen auf bis zu 500 Meter.

Host-Abhängigkeit

LPO verlagert einige Signalverarbeitungsfunktionen von optischen Modulen auf ASIC-Chips in Switches oder Servern. Das bedeutet, dass die Leistung von LPO-Modulen nicht mehr vollständig unabhängig ist, sondern stark von den Fähigkeiten des Hosts abhängt. Daher erfordert die Implementierung von LPO eine engere Zusammenarbeit bei der Entwicklung und Verifizierung zwischen Anbietern optischer Module und Anbietern von Systemgeräten, wodurch die Systemkomplexität und die Kopplung zunehmen.

Herausforderungen bei der Interoperabilität        

Derzeit befindet sich die LPO-Standardisierung noch in einem frühen Stadium, was zu Interoperabilitätsproblemen führen kann. Unternehmen, die LPO einführen, benötigen ausreichendes technisches Fachwissen, um Spezifikationen und Lösungen zu entwickeln, Geräte- und Modulgrenzen zu testen und umfangreiche Integrations- und Kompatibilitätstests durchzuführen.

Mit anderen Worten: In Umgebungen mit mehreren Anbietern können ohne strenge Kontrolle und Koordination Probleme wie unklare Zuständigkeiten und Schuldzuweisungen auftreten, wodurch die Bereitstellung komplizierter wird als bei herkömmlichen DSP-basierten Lösungen.

CPO vs. LPO: Welche Technologie wird die optische Konnektivität im Rechenzentrum anführen?

Zunächst müssen wir kurz verstehen, was CPO ist. 

Co-Packaged Optics ist eine fortschrittliche optische Technologie, die optische und elektronische Komponenten innerhalb desselben Packages integriert. Diese Lösung verkürzt die elektrischen Verbindungslängen, reduziert Stromverbrauch und Latenz und ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen Architekturen mit separaten steckbaren optischen Modulen eine höhere Bandbreitendichte. CPO eignet sich besonders für High-Performance Computing (HPC), KI-gestützte Rechenzentren und Hyperscale-Cloud-Umgebungen, in denen ultrahohe Bandbreite, niedrige Latenz und energieeffiziente Netzwerke entscheidend sind.

Die folgende Tabelle veranschaulicht die Unterschiede zwischen LPO und CPO.