LPO vs. CPO: Welche optische Rechenzentrums-Interconnect-Technologie wird die nächste Generation dominieren?

Rechenzentren wachsen, und Geschwindigkeit und Effizienz sind zu den Kernelementen ihrer Entwicklung geworden. Vor diesem Hintergrund ist der Wettbewerb in der optischen Verbindungstechnologie in eine Weißglutphase eingetreten. Laser Phase-Locked Oscillator (LPO) und Coherent Phase-Locked Oscillator (CPO) sind zu den führenden Technologien in diesem Bereich geworden. Dieser Artikel analysiert detailliert die unterschiedlichen Merkmale, Vorteile und Herausforderungen dieser beiden Technologien, damit Sie ihre Schlüsselrolle bei optischen Verbindungen in Rechenzentren besser verstehen.

Der Aufstieg von CPO und LPO

Der Stromverbrauch herkömmlicher 10Gb-Optikmodule liegt bei etwa 1 W (Kupfermodul etwa 2 W). Mit der Einführung von 400G- und 800G-Optikmodulen steigt der Stromverbrauch jedoch rasch auf 30 W. Schlimmer noch: Wenn die Anzahl der Optikmodule mehrere Dutzend erreicht (z. B. 48 Module, kann der Gesamtstromverbrauch bis zu 48 × 30 = 1440 W betragen), macht ihr Stromverbrauch oft 40 % oder mehr des gesamten Stromverbrauchs der gesamten Ausrüstung aus. Der sprunghafte Anstieg des Energieverbrauchs optischer Kommunikationsgeräte hat Rechenzentren enorm unter Druck gesetzt, insbesondere im Hinblick auf Energiekosten. Dies ist zu einem Problem geworden, das nicht ignoriert werden kann. Daher ist die wirksame Reduzierung des Stromverbrauchs und die Einsparung von Energie zu einem dringenden Problem in der Branche geworden.

Aus diesem Grund sind CPO- und LPO-Lösungen entstanden und haben sich schnell zu zwei heißen Themen in der Branche der optischen Module entwickelt. Heutzutage haben viele Anbieter die Entwicklung und Planung entsprechender Technologien beschleunigt, in der Hoffnung, in dieser Welle der technologischen Revolution die Führung zu übernehmen.

Was ist CPO?

CPO, oder Co-Packaged Optics, ist eine hochmoderne Technologie, die Optik und Switching-Chips kombiniert. Sie macht die üblichen steckbaren optischen Module überflüssig und bringt die Optical Engine und den Switching-Chip näher zusammen. Dies wiederum erhöht die Geschwindigkeit der elektrischen Signale zwischen ihnen und verbessert die Gesamtleistung.CPO-Lösungen sind kleiner und energieeffizienter als herkömmliche optische Module, was sie zu einer ausgezeichneten Wahl macht.

Entwicklung der CPO-Technologie

Die Entwicklung der CPO-Technologie lässt sich konkret in zwei Phasen unterteilen:

Phase I: Near-Package Optics (NPO)-Technologie

Bevor die CPO-Technologie vollständig ausgereift ist, ist die NPO-Technologie ein komfortableres Übergangsprogramm. Sie bietet die Vorteile niedriger Kosten und geringer Leistungsaufnahme innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums und eignet sich besonders für die anfängliche Systementwicklung und -bereitstellung.

Phase II: CPO-Technologie

Dies ist die neueste Form der Silizium-Photonik-Switching-Technologie, die entwickelt wurde, um Netzwerkkosten und Stromverbrauch zu minimieren. Bei der CPO-Lösung sind die optische Engine und der Switching-Chip eng im selben Modul integriert, was die Gesamtleistung des Systems und die Energieeffizienz verbessert.

In der Praxis ist die optische Engine hauptsächlich für die optisch-elektrische Umwandlung im Switching-Netzwerk verantwortlich. Die häufigste Form ist das steckbare Modul, aber mit der fortschreitenden technologischen Entwicklung entstehen neue Produktformen. Die CPO-Form integriert den Switching-Chip und die optische Engine in einem einzigen Steckplatz, während NPO sie separat auf derselben Systemplatine platziert. Obwohl beide optoelektronische Module verwenden, unterscheiden sie sich aufgrund von Unterschieden bei der Gehäuseposition und der Verkabelungsdistanz in Stromverbrauch und Effizienzleistung.

Vorteile von CPO

Stellen Sie sich eine Hightech-Telekommunikationsinfrastruktur vor, bei der Raumoptimierung und Energieeffizienz entscheidend sind, um den Anstieg von Datenverkehr und Geschwindigkeiten zu bewältigen. Durch die Kombination der CPO-Technologie können wir eine schnellere und zuverlässigere Kommunikation erreichen und gleichzeitig Raum schaffen, damit Netzwerktechnologien intelligent und energieeffizient wachsen können. Hier sind die wichtigsten Vorteile von CPO:

Verbesserte Signalintegrität

CPO verbessert die Signalintegrität, indem es die Übertragungsdistanz elektrischer Signale verringert, was bedeutet, dass Sie weniger Signalkompensation benötigen. Dieser Fortschritt erhöht nicht nur die Flexibilität des PCB-Designs, sondern optimiert auch die Gesamtleistung, was zu mehr Gestaltungsfreiheit und Effizienz führt.

Kompaktes Design, hohe Integration

Die CPO-Technologie integriert photonische und elektronische Komponenten in dasselbe Gehäuse. Dies reduziert die Größe des Systems im Vergleich zur herkömmlichen Methode, optische Module und elektronische Chips separat zu verpacken, erheblich. Diese Kompaktheit ist besonders wichtig in hochdichten integrierten Schaltungen, in denen jeder Zentimeter Platz entscheidend ist.

Reduzierte Latenz

CPO kann den Stromverbrauch erheblich senken und die Effizienz herkömmlicher LPO-Technologie verbessern, indem Elektronik und Optik mithilfe eines CMOS-Prozesses integriert werden. Da sowohl das optische Modul als auch der Elektronikchip im selben Rahmen untergebracht sind, wird der Signalübertragungsweg deutlich verkürzt, wodurch die Latenz im Vergleich zu separaten Verpackungsmethoden reduziert wird.

Laut dem Bericht von LightCounting vom Dezember 2022 ist die Nachfrage nach Netzwerkgeschwindigkeiten für HPC (High Performance Computing) bereits mehr als 10-mal höher als die aktuelle Geschwindigkeit. Vor dem Hintergrund einer solchen Nachfrage wird erwartet, dass CPO den Stromverbrauch der bestehenden Architektur steckbarer optischer Module um 50 % reduziert und damit das Problem der Hochgeschwindigkeits- und High-Density-Interconnect-Übertragung effektiv löst. Gleichzeitig forschen und entwickeln auch inländische Anbieter aktiv an der CPO-Technologie, um deren kontinuierlichen Fortschritt und Reife zu fördern.

Was ist LPO?

LPO (Linear Drive Pluggable Optics) bezeichnet eine Lösung, die lineare Direktantriebstechnologie in Glasfasermodulen einsetzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Designs optischer Module verzichtet LPO auf gängige Legacy-Komponenten wie DSPs (Digital Signal Processors) und CDRs (Clock Data Recovery), wodurch der Stromverbrauch und die Latenz des Systems effektiv reduziert werden. Dieses Design ist großartig, weil es energieeffizient ist und eine gute Leistung bietet, bringt aber einige Kompromisse mit sich. Zum einen ist es nicht besonders gut darin, Fehler zu korrigieren, und es kann nicht so große Entfernungen überbrücken wie andere Systeme. Daher eignet sich die LPO-Technologie besser für die Kommunikation über kurze Distanzen, etwa innerhalb von Rechenzentren. Sie ist besonders gut geeignet, wenn es extrem schnell sein muss und keine 100%ige Fehlerfreiheit erforderlich ist.

Herkömmliche steckbare optische Module verlassen sich in der Regel auf DSP-Chips, um Hochgeschwindigkeitssignale zu verarbeiten und eine niedrige BER sicherzustellen, doch dies bringt auch einen höheren Stromverbrauch mit sich. Im Fall eines 400G optisches Modul, zum Beispiel beträgt der Stromverbrauch eines 7nm-DSP etwa 4W, was fast die Hälfte des Stromverbrauchs des gesamten Moduls ausmacht. Im Gegensatz dazu reduziert LPO den Stromverbrauch, indem diese zusätzlichen Komponenten weggelassen werden, jedoch auf Kosten einer geringeren Übertragungsdistanz und Fehlerkorrekturfähigkeit.

Vorteile von LPOs

Linear Drive Pluggable Optics (LPOs) bieten im Bereich der optischen Verbindungen eine Reihe von Vorteilen, die sie ideal für die Verbesserung der Rechenzentrumskonnektivität und die Erfüllung der Anforderungen moderner Netzwerke machen. Nachfolgend sind einige der wichtigsten Vorteile der LPO-Technologie aufgeführt:

Hot Swap und vereinfachte Wartung

Im Gegensatz zu CPO behält LPO das traditionelle modulare Design optischer Komponenten bei, was es zu einer störungsarmen, leicht zu wartenden Lösung macht. Wenn eine Komponente in einem CPO-System ausfällt, muss in der Regel der gesamte Switch zerlegt werden, was Wartungsprobleme verursacht. LPO unterstützt jedoch Hot-Swapping, wodurch ausgefallene Module bequemer ausgetauscht werden können, ohne den Systembetrieb zu unterbrechen, und Ausfallzeiten minimiert werden.

Reduzierte Latenz

Der LPO verzichtet auf den herkömmlichen digitalen Signalprozessor (DSP), wodurch die Notwendigkeit eines komplexen Signalreduktionsprozesses entfällt. Dieses Design führt zu einem deutlich geringeren Systemverarbeitungs-Overhead, wodurch die Latenz effektiv reduziert wird. Dies ist besonders wichtig für Situationen, die eine extrem niedrige Latenz erfordern, wie die Inter-GPU-Kommunikation im HPC.

Reduzierte Kosten

Da sie nicht auf DSPs angewiesen sind, senken LPOs effektiv den Stromverbrauch und die gesamten Betriebskosten.Die DSP-Technologie wird derzeit von einer Handvoll Unternehmen (z. B. Broadcom und Inphi) dominiert, was sie zu einer kostspieligen, ressourcenbegrenzten Expertise macht.Die fehlende Abhängigkeit der LPOs von DSPs trägt dazu bei, den Bedarf an diesen knappen Ressourcen zu reduzieren, was wiederum Diversifizierungsmöglichkeiten in der Lieferkette eröffnet und die Wettbewerbsfähigkeit des Marktes verbessert.

Das große Interesse aller Parteien, von vorgelagerten Chipherstellern über Switch-Anbieter bis hin zu Endbenutzern, an der Entwicklung und Anwendung der LPO-Technologie (Linearly Driven Pluggable Optics) deutet darauf hin, dass die Geschäftsaussichten sehr vielversprechend sind. Auf der OFC 2023 präsentierten branchenführende Unternehmen wie Macom und Broadcom ihre Linear-Drive-Lösungen und unterstrichen damit den Trend dieser Technologie weiter. Gleichzeitig wurde die von Arista eingeführte Linear-Drive-Lösung von führenden Switch-Anbietern, darunter Innovium und NVIDIA, anerkannt, was den Konsens der Branche über den enormen Wert der LPO-Technologie in hochmodernen Netzwerkanwendungen widerspiegelt.

CPO vs. LPO: Welche Technologie wird optische Interconnects in Rechenzentren dominieren?

Die LPO-Technologie stellt eine strategische Wahl dar, die auf spezifische Szenarien wie Kurzstreckenanwendungen zugeschnitten ist. Während LPO auf ältere Komponenten wie DSP/CDR verzichtet, was in Bezug auf die BER einen kleinen Leistungs-Kompromiss darstellen kann, sind die Vorteile bei Stromverbrauch, Kosten und Latenz erheblich. Im Gegensatz zu CPO betont LPO Effizienz und Kostenreduzierung in spezifischen Anwendungen und hat daher einzigartige Stärken und Schwächen.

Obwohl die LPO-Technologie etwas später als CPO aufkam, wird erwartet, dass sie sich schneller auf dem Markt durchsetzt. Die Unterschiede zwischen CPO und LPO sind in der folgenden Tabelle dargestellt:

Zukunftsperspektiven und Herausforderungen von CPO

Der Zukunftsmarkt für CPO ist vielversprechend

Die CPO-Technologie bietet eine neue Richtung zur Erhöhung der Dichte optischer Verbindungen und wird voraussichtlich für Anwendungen über 100T kommerzialisiert. Laut LightCounting werden CPO-Lieferungen mit 800G- und 1.6T-Ports beginnen und voraussichtlich zwischen 2024 und 2025 kommerzialisiert. Bis 2026 bis 2027 werden CPO-Lieferungen in Kurzstrecken-Datenkommunikationsszenarien für Hyperscale-Cloud-Service-Provider voraussichtlich deutlich zunehmen, und die Marktnachfrage wird voraussichtlich erheblich wachsen. CIR erwartet, dass der CPO-Markt bis 2027 einen Gesamtumsatz von 5,4 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

Die Anzahl der CPO-Ports wird voraussichtlich von 50,000 im Jahr 2023 auf 4.5 Millionen im Jahr 2027 in Bezug auf den weltweiten Absatz steigen. Bis 2027 werden CPO-Ports voraussichtlich fast 30 Prozent der Lieferungen in den Kategorien 800G und 1.6T ausmachen. Laut einem Bericht von Yole wird der CPO-Markt im Jahr 2022 einen Umsatz von etwa $38 Millionen erzielen, und es wird erwartet, dass dieser bis 2033 auf $2.6 Milliarden wächst, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 46%.

Herausforderungen für CPO

Während die CPO-Technologie neue Perspektiven für fortschrittliche optische Interconnects bietet, steht sie weiterhin vor Herausforderungen hinsichtlich technologischer Reife, Dringlichkeit der Marktakzeptanz und Geschäftsmodellen. Diese Probleme müssen wirksam angegangen werden, damit CPO zu einer Mainstream-Lösung im Bereich optischer Interconnects in Rechenzentren werden kann.

Technologiepfad und Reifegrad: Die Technologie kohärenter phasengekoppelter Oszillatoren (CPO) befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, und ihr Technologiepfad muss weiter verfeinert werden. Obwohl die Zukunft von CPO recht vielversprechend ist, hat sie noch nicht das Niveau einer breiten Anwendung erreicht und benötigt noch Zeit, um mehr praktische Fälle und Erfahrungen zu sammeln. Im Gegensatz dazu traditionelle steckbare optische Module dominieren weiterhin den Markt, und es könnte einige Jahre dauern, bis CPO sie als vorherrschende Lösung ablöst.

Dringlichkeit der Einführung: Im Zeitalter der 3.2T-optischen Module waren die Anforderungen an Formfaktor und Größe für die CPO-Technologie hoch. Im aktuellen 1.6T-Zeitalter bieten steckbare optische Module jedoch weiterhin eine ausgereifte Mainstream-Lösung, und ihre 8x200G-Konfigurationen erfüllen bereits die Anforderungen der meisten Branchen. Die derzeitige Nachfrage nach schnelleren CPO-Lösungen ist nicht dringend, was die schnelle Einführung von CPOs auf dem Markt verlangsamen könnte.

Herausforderungen des Geschäftsmodells: Die Implementierung der CPO-Technologie erfordert eine große Reserve an Siliziumphotonik-Technologie, was bedeutet, dass ihre Entwicklung in hohem Maße von der F&E- und Produktionskapazität der entsprechenden Technologie abhängen wird. Die Abhängigkeit von bestimmten Herstellern kann zu einem großen Hindernis für die breite Anwendung der CPO-Technologie werden. Erstens haben die Reserve an Siliziumphotonik-Technologie und die Komplexität des Herstellungsprozesses die CPO-Produktion und F&E in den Händen weniger Hersteller konzentriert. Diese Abhängigkeit kann zur Entstehung eines Technologiemonopols auf dem Markt führen, was wiederum die Wettbewerbsfähigkeit und technologische Innovation verschiedener Anbieter beeinträchtigt. Darüber hinaus kann eine zu starke Abhängigkeit von einem einzelnen Anbieter die technologische Entwicklung einschränken, die Unsicherheit in der Lieferkette erhöhen und die Flexibilität und Freiheit der Endnutzer bei der Auswahl von CPO-Lösungen beeinträchtigen.

Obwohl die CPO-Technologie großes Potenzial zeigt, steht sie weiterhin vor Herausforderungen hinsichtlich der technologischen Reife, der Marktdringlichkeit und der Etablierung relevanter Geschäftsmodelle.

Entwicklungsperspektiven und Herausforderungen von LPO

Fortschritt der LPO-Branche: Parallelismus im Inland und Ausland

Die LPO-Technologie, eine aufkommende Lösung für optische Verbindungen, soll bis Ende 2024 in die Massenproduktion gehen. Da sich diese Technologie weiterentwickelt, haben große globale Anbieter bereits entsprechende Produkte auf den Markt gebracht. Führende Anbieter wie Macom, Semtech und MaxLinear haben erhebliche Fortschritte bei der Technologieentwicklung erzielt, und Broadcom treibt aktiv seine eigene LPO-Lösung voran. Branchenexperten gehen davon aus, dass große Unternehmen wie Microsoft, Meta, AWS und Google angesichts der steigenden Nachfrage nach Rechenressourcen von nordamerikanischen Cloud-Service-Anbietern nach und nach LPO-Lösungen einsetzen werden, um die Effizienz der Datenübertragung zu verbessern und die Latenz zu verringern.

Herausforderungen für LPO

Obwohl LPO großes Potenzial für optische Interconnects zeigt, gibt es noch eine Reihe von Herausforderungen für seine Entwicklung. Die Bewältigung dieser Probleme ist unerlässlich, damit die LPO-Technologie auf dem Markt bevorzugt wird. Im Folgenden sind einige der wichtigsten Herausforderungen aufgeführt, denen LPO während seiner Entwicklung voraussichtlich begegnen wird:

Anforderungen an die Zusammenarbeit: Die LPO-Bereitstellung erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen LPO-Anbietern und Switch-Herstellern. Hersteller optischer Module müssen ihre Technologie modernisieren und eine enge Koordination zwischen den vor- und nachgelagerten Lieferketten sicherstellen, um Zusammenarbeit und Innovation in der gesamten Branche voranzutreiben.

Kurze Übertragungsdistanzen: LPOs sind darauf ausgelegt, die DSP-Komponente zu eliminieren, wodurch die BER höher wird und die Entfernung begrenzt wird, über die das Signal übertragen werden kann. LPOs sind bei der Übertragung über lange Distanzen möglicherweise nicht so stabil wie herkömmliche optische Module. Anfangs können LPOs eine Verbindung innerhalb weniger Meter bis zu einigen Dutzend Metern herstellen, und in Zukunft kann die Übertragungsdistanz auf bis zu 500M erweitert werden. Um dieses Problem zu beheben, ist es wichtig, die Übertragungsdistanz zu optimieren und die Fehlerkorrekturmechanismen des Systems zu stärken.

Standardisierung befindet sich in einem frühen Stadium: Der Standardisierungsprozess von LPO befindet sich noch in einem frühen Stadium, und die Interoperabilität der Technologie kann auf gewisse Schwierigkeiten stoßen. Derzeit ist LPO eher für geschlossene Systeme eines einzelnen Anbieters geeignet. Wenn ein Multi-Vendor-Programm eingesetzt wird und die interne Integrationsfähigkeit unzureichend ist, kann dies zu Systeminkompatibilität und Problemen bei der Aufteilung der Verantwortlichkeiten führen. In diesem Fall können traditionelle DSP-basierte Lösungen weiterhin vorteilhafter sein.

Einschränkungen des Designs elektrischer Kanäle: LPOs stellen höhere Anforderungen an das Design elektrischer Kanäle auf der Systemseite. Derzeit verwenden SerDes hauptsächlich 112G-Spezifikationen und werden voraussichtlich in Zukunft auf 224G aufgerüstet; die LPO-Technologie ist jedoch möglicherweise nicht in der Lage, die Übertragungsanforderungen der kommenden 224G SerDes zu erfüllen, was ihre Leistung in zukünftigen groß angelegten Datenübertragungsanwendungen einschränken könnte.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die LPO-Technologie zwar viele Potenziale und Vorteile bietet, jedoch weitere technologische Innovationen und Branchenkooperationen erforderlich sind, um die oben genannten Herausforderungen zu überwinden und breite Anwendungen zu realisieren.

Fazit

Während Linear-drive Pluggable Optics (LPO) und Co-Packaged Optics (CPO) sich als Zukunftstrends in der Verbindungstechnik von Rechenzentren abzeichnen, bleiben steckbare optische Module weiterhin die Standardlösung der Branche. Da die Nachfrage nach höherer Leistung und geringerer Latenz im Rechenzentrum weiter wächst, haben Anbieter wie QSFPTEK steckbare 800G-Ethernet- und InfiniBand-Module eingeführt. Diese Module können Datenraten von bis zu 800 Gigabit pro Sekunde liefern und bieten damit entscheidende Bandbreitenunterstützung für HPC-Anwendungen. In Zukunft könnten CPOs und LPOs mit der weiteren technologischen Entwicklung und der Einführung neuer Technologien in der Branche bestehende steckbare optische Module allmählich ersetzen, insbesondere in Hyperscale-Rechenzentren und High-Performance-Computing-Anwendungen.