XPO Transceiver-Übersicht: Was ist der Unterschied zu CPO?

Da sich optische Module von 100G zu 400G, 800G und sogar in Richtung 1.6T weiterentwickelt haben, wurde die Bandbreitenkapazität von Rechenzentren kontinuierlich erhöht. Lange Zeit funktionierte die Vorstellung, dass "eine Beschleunigung das Problem löst". Da jedoch KI-Trainings-Workloads rasch zunehmen, reicht es nicht aus, sich allein auf Geschwindigkeitssteigerungen zu verlassen.

Der aktuelle Engpass besteht nicht mehr nur darin, ob die Bandbreite eines einzelnen Ports ausreicht; er hat sich auf die gesamte Systemebene ausgeweitet—Portdichte, Kontrolle des Stromverbrauchs, Platz für Wärmeableitung und spätere Wartungsprobleme treten gleichzeitig auf und schränken sich gegenseitig ein.

Vor diesem Hintergrund erkundet die Branche neue Wege für optische Verbindungen. Einerseits gibt es hochintegrierte Lösungen wie CPO; andererseits gibt es neue Anpassungen bei steckbaren Architekturen. XPO (eXtra-dense Pluggable Optics) ist eine Richtung, die sich im Rahmen dieses Ansatzes allmählich herausgebildet hat.

KI-Infrastruktur tritt in eine neue Phase der Einschränkungen ein

Da sich Rechenzentren langsam von traditionellen Cloud-Konfigurationen entfernen und massive, KI-fokussierte Computersysteme einführen, verändert sich auch die Rolle des Netzwerks. Es ist mehr als nur eine Möglichkeit, Daten zu übertragen — es ist ein wesentlicher Bestandteil der Infrastruktur, der direkt beeinflusst, wie gut Menschen trainieren können und wie effizient sie Ressourcen nutzen.

In der Regel reicht es nicht aus, die Portgeschwindigkeiten von 400G auf 800G und dann auf 1.6T zu erhöhen, um die Anforderungen realer Systeme zu erfüllen. Das Hauptproblem besteht im Übergang von der „Bandbreite einzelner Ports“ zu komplexeren Fragestellungen auf Systemebene.

Der Bandbreitendruck verlagert sich von einem einzelnen Punkt zu einem globalen

Beim Training großer Modelle müssen zahlreiche GPUs oder Beschleunigerkarten kontinuierlich Parameter und Gradienten synchronisieren, was zu extrem hohen Datenaustauschfrequenzen zwischen Knoten führt. Mit zunehmender Modellgröße wächst der Netzwerkverkehr deutlich schneller als die Erhöhung der Single-Port-Geschwindigkeit.

Auch wenn die Schnittstellengeschwindigkeiten weiter steigen, kann die Netzwerkbandbreitendichte die Trainingseffizienz dennoch leicht einschränken, insbesondere in Szenarien mit parallelem Training über mehrere Knoten hinweg.

Zuverlässigkeitsprobleme werden bei groß angelegten Bereitstellungen verstärkt

In KI-Clustern kann die Anzahl der Verbindungen mit optischen Modulen leicht Zehntausende oder sogar mehr erreichen. Wenn der Maßstab größer wird, wird es wahrscheinlich einige Probleme geben, selbst wenn jede Verbindung nicht sehr häufig ausfällt. Es wird schwierig sein, diese Probleme vollständig zu vermeiden.

In dieser Art von Umgebung wirkt sich der Ausfall einer Verbindung auf mehr als nur einen lokalen Bereich aus. Sie können Trainingsaufgaben unter Nutzung aller Rechenressourcen pausieren, neu planen oder abbrechen. Netzwerkzuverlässigkeit ist mehr als nur ein visuelles Merkmal. Das Geschäft muss reibungslos laufen.

Kühlsysteme verlagern sich hin zu Architekturen mit Flüssigkeitskühlung.

Da der Stromverbrauch von KI-Rechenchips weiter steigt, stoßen herkömmliche Luftkühlungslösungen an ihre Grenzen, und Flüssigkeitskühlung wird zum Mainstream-Ansatz für hochdichte Rechenzentren.

Dies stellt auch neue Anforderungen an optische Verbindungstechnik: Nicht nur die Signalleistung muss gewährleistet sein, sondern auch Strukturdesign, Materialauswahl und thermisches Design müssen an Flüssigkühlungsumgebungen angepasst werden, um Rack-Level-Implementierungen mit höherer Dichte zu unterstützen.

Energieeffizienz ist zu einem der zentralen Indikatoren des Netzwerkdesigns geworden

In hochverdichteten KI-Clustern müssen Stromressourcen zwischen Computing und Networking neu verteilt werden. Mit zunehmender Systemskalierung darf der Stromverbrauch auf Netzwerkseite nicht ignoriert werden.

Infolgedessen hat sich „Leistung pro Bit“ als zentrale Kennzahl zur Bewertung optischer Interconnect-Lösungen etabliert, die sich direkt auf die gesamten Betriebskosten und die Obergrenze der Energieeffizienz des Systems auswirkt.

Physische Portdichte nähert sich technischen Grenzen

Aktuelle gängige Formfaktoren steckbarer optischer Module (wie OSFP) nähern sich mit zunehmender Bandbreite den physikalischen Dichtelimits. Wenn die Chip-Bandbreite weiter wächst, während die Portdichte nicht gleichzeitig steigen kann, muss die Netzwerkarchitektur zusätzliche Schichten hinzufügen, was zu höherer Latenz und komplexeren Designs führt.

Was ist XPO (eXtra-dense Pluggable Optics)?

Mit dem bevorstehenden OFC 2026 haben Arista Networks in Zusammenarbeit mit mehreren Herstellern optischer Module das Konzept von XPO (eXtra-dense Pluggable Optics) vorgeschlagen. XPO kann als hochdichte steckbare optische Verbindungslösung für KI-Rechenzentren der nächsten Generation verstanden werden. Ihr Kernziel besteht darin, die Bandbreitendichte und die Wärmeableitungsfähigkeiten weiter zu verbessern, ohne die betrieblichen Vorteile steckbarer Module zu opfern, um sich an Hochleistungs-Computing-Umgebungen anzupassen.

XPO ist mehr als nur ein "Geschwindigkeits-Upgrade". Es ist ein kompletter Neuaufbau der Struktur, Stromversorgung und Wärmeableitungsmethoden, der ganz auf die Anforderungen der KI-Rack-Level-Bereitstellung ausgerichtet ist.

Wichtige Spezifikationen und Funktionen von XPO

Aus Designperspektive hat sich XPO klar vom traditionellen OSFP-Entwicklungspfad entfernt und tendiert stärker zu einer „optischen Verbindungseinheit auf Systemebene“:

All diese Faktoren weisen auf dieselbe Realität hin: XPO ist mehr als nur ein optisches Modul; es ist eine Interconnect-Komponente für High-Density-Computing.

Die Änderung im Vergleich zu OSFP ist mehr als nur eine „Verdopplung“

Wenn wir traditionelle verwenden OSFP-Lösungen als Referenz stellt XPO in mehrfacher Hinsicht einen bedeutenden Fortschritt dar: Die Bandbreite eines einzelnen Moduls wird um etwa das 8-Fache erhöht, die Paneldichte um etwa das 4-Fache, und erstmals wurde eine vollständige Flüssigkeitskühllösung in einem standardmäßigen steckbaren Formfaktor eingeführt.

Die entscheidendere Veränderung liegt nicht in den Zahlen selbst, sondern im Wandel der Designlogik—von "Erhöhung der Single-Port-Geschwindigkeit" hin zu "Neudefinition des Formfaktors optischer Interconnects im Hinblick auf Stromverbrauch und Dichte auf Rack-Ebene." Bei diesem Ansatz ähnelt XPO eher einer grundlegenden Interconnect-Einheit, die für die Szenarien mit ultrahohem Stromverbrauch in der KI neu konzipiert wurde.

Das innovative Kerndesign von XPO: 

"Belly-to-Belly"-Dual-PCB-Stapelarchitektur

Die bedeutendste Änderung in der Hardwarestruktur von XPO ist der Ersatz des traditionellen Single-PCB-Designs durch ein "Dual-PCB-Stacking". Zwei 32-Kanal-PCBs sind dicht Rücken an Rücken angeordnet und definieren heiße und funktionale Bereiche auf Systemebene neu.

Diese Struktur platziert Komponenten mit hoher Wärmeentwicklung (wie Senderschaltungen und Lasertreibermodule) in der inneren „heißen Zone“ und Komponenten mit geringerer Leistung (wie Empfänger und Steuerlogik) in der äußeren „kalten Zone“. Die Hauptidee dieser Methode besteht darin, den Weg zu verkürzen, den die Wärme zurücklegen muss, wodurch die Wärme schneller in das Kühlsystem gelangen kann und die Effizienz der Wärmeabfuhr verbessert wird.

Je mehr Kanäle in ein einzelnes Modul integriert werden, desto anspruchsvoller wird die mechanische Seite. Es gibt viele Stellen, an denen man die Finger ansetzen kann, daher erfordert das Ein- und Ausstecken mehr Aufwand. Mit der Zeit kann dies die routinemäßige Wartung etwas mühsamer machen, insbesondere in komplexen Konfigurationen.

Flüssigkeitskühlung auf Modulebene: Direkt in das optische Modul integriert

XPO umfasst jetzt Flüssigkeitskühlung als Teil des Moduls. Die Kühlplatte ist zwischen zwei PCBs angeordnet. Dadurch kann Wärme aus beiden Schichten gemeinsam über einen kürzeren, direkteren Weg abgeführt werden. Das bedeutet, dass Sie keine Außenluft oder Kanäle verwenden müssen, um Luft zu bewegen, sodass Sie Wärme direkt dort abführen können, wo sie entsteht.

In der Praxis kann dieses Design TDPs von 400W oder mehr bewältigen. Wenn die Kühlmitteltemperatur bei etwa 40–45°C liegt, ist die Gesamttemperatur in der Regel 20 bis 25°C niedriger als bei herkömmlichen Luftkühlungslösungen.

Die Steckverbinder sind Blindsteck-Schnellkupplungen mit auslaufsicherem Design, die etwa 500 wiederholten Steck- und Trennvorgängen standhalten können. Das Innere der Cold Plate ist nicht nur ein einfaches Stück Metall; es enthält Strömungskanäle, die entlang von Bereichen mit konzentrierter Wärme verlaufen. Die Struktur ist einfach, mit einem einzigen Einlass und einem einzigen Auslass. Der Gesamtansatz ähnelt eher einer GPU-Cold-Plate-Lösung als einem herkömmlichen „externen“ Modulkühlsystem und erinnert an ein Design auf Systemebene.

Elektrische Architektur und 50V-Stromversorgung

Auch auf Signal- und Stromversorgungsebene wurde XPO neu gestaltet. Seine elektrische Architektur unterstützt 64 elektrische Hochgeschwindigkeitskanäle mit jeweils 200Gbps PAM4 und erreicht damit eine Gesamtbandbreite von 12.8Tbps; zudem ist geplant, sie in Richtung 400Gbps-Kanäle weiterzuentwickeln, um eine Leistungsfähigkeit von 25.6Tbps zu erreichen.

Mehrere Hauptmerkmale des elektrischen Designs sind:

Erstens, optimiertes Kanallayout: Tx- und Rx-Signale sind auf gegenüberliegenden Seiten der Paddle Card positioniert, um Übersprechen zu reduzieren und die Signalintegrität zu verbessern, wodurch es besser für Szenarien mit Linear-Drive-Architektur (LPO) geeignet ist.

Zweitens sind die Stromversorgungs- und Steuerungsbereiche separat ausgelegt. Für die Low-speed-Steuersignale (wie I2C/I3C, Reset- und Alarmsignale) wird ein separater zentraler Steckverbinder verwendet. Dieser Steckverbinder ist physisch vom Hochgeschwindigkeits-Datenkanal getrennt. Dies reduziert elektrische Störungen, verbessert die Stabilität der Steuersignale und verhindert, dass Hochgeschwindigkeitsverbindungen sie beeinträchtigen.

Noch wichtiger ist, dass die Stromversorgungsarchitektur aufgerüstet wurde. XPO verwendet einen 46–53V DC-Eingang (typischerweise etwa 48V/50V), direkt von der Rack-Level-Bus-Stromversorgung. Im Vergleich zu herkömmlichen 3.3V-Modulen reduziert dies die Stromanforderungen erheblich, wodurch Leitungsverluste und die Steckverbindergröße reduziert und die Gesamteffizienz der Stromversorgung verbessert werden. Dieses Design entspricht auch besser dem zukünftigen Trend zur Hochspannungs-Gleichstromversorgung in Rechenzentren.

Die tatsächlichen Auswirkungen von XPO auf die Rechenzentrumsarchitektur

Die Bedeutung von XPO geht über die Herstellung einzelner optische Module oder Switching-Geräte besser. Sie wirkt sich direkt auf das Design des gesamten Rechenzentrums aus. Wenn ein einzelnes Modul große Verbesserungen bei Bandbreite, Stromverbrauch und Wärmeableitung erzielt, summiert sich diese Veränderung Schicht für Schicht entlang der Netzwerkhierarchie. Am Ende beeinflusst dies die Gesamtsystemkapazität, ihre Nutzung und die gesamte Kostenstruktur.

Aus Sicht des Systemdesigns ist beispielsweise für den Aufbau eines Netzwerks mit einer Gesamtschaltkapazität von 204.8 Tbps der von der XPO-Lösung benötigte Rack-Platz nur etwa ein Viertel desjenigen der herkömmlichen OSFP-Lösung, was einer ungefähr vierfachen Steigerung der Bandbreitendichte entspricht. Das bedeutet, dass Netzwerkgeräte innerhalb desselben physischen Raums einen höheren Durchsatz unterstützen können und somit eine kompaktere Infrastrukturunterstützung für KI-Training und Hochleistungsrechnen bieten.

In einer typischen flüssigkeitsgekühlten ORv3-(HPR)-Rack-Umgebung ist der Unterschied zwischen den beiden Lösungen ebenfalls sehr erheblich. Der Stromverbrauch eines einzelnen Racks in einer traditionellen OSFP-Architektur beträgt etwa 32 kW. Im Vergleich dazu kann die XPO-Lösung diesen Wert auf etwa 128 kW erhöhen, näher am Leistungsdichtebereich von 120 kW und darüber, der typischerweise für flüssigkeitsgekühlte Systeme geplant wird. In praktischen Bereitstellungen kann die OSFP-Lösung die Fähigkeiten der flüssigkeitsgekühlten Infrastruktur oft nicht vollständig ausschöpfen. Im Gegensatz dazu erreicht XPO eine bessere Abstimmung zwischen Stromverbrauch und Wärmeabfuhrkapazität, wodurch Energie- und Kühlressourcen umfassender genutzt werden können und damit die Gesamt-TCO-Leistung verbessert wird.

Kurz gesagt: XPO kann bei gleichem Platzbedarf etwa viermal mehr Netzwerkkapazität bereitstellen. Diese Verbesserung spart nicht nur Platz; sie wirkt sich auch auf die Kosten für die Einrichtung eines Rechenzentrums, die Bereitstellungszeit und die Komplexität des Betriebs aus.

In Hyperscale-KI-Szenarien ist dieser Vorteil noch stärker ausgeprägt. Beispielsweise benötigt ein KI-Rechenzentrum der 400MW-Klasse mit rund 128,000 XPUs und einer dreischichtigen Clos-Topologie etwa 12.8Tbps Scale-up-Bandbreite und 1.6Tbps Scale-out-Bandbreite. In einer traditionellen OSFP-Architektur beträgt die Switching-Kapazität pro Rack etwa 1.64 Pbps. Die XPO-Architektur kann jedoch rund 6.55 Pbps erreichen und reduziert damit die Anzahl der Racks um etwa 75%.

Diese Reduzierung der Racks verringert den Bedarf an Infrastruktur wie Stromversorgung, Kühlung und Verkabelung. Dadurch werden die Gesamtbaukosten deutlich gesenkt. XPO kann auch in bestehenden Rechenzentrumsumgebungen eingesetzt werden, um die Bereitstellungsdichte von Beschleunigern zu erhöhen, ohne zusätzlichen physischen Platz zu benötigen, und dadurch die Nutzung vorhandener Ressourcen zu verbessern.

Der Hauptunterschied zwischen XPO und CPO

Heute gibt es zwei Hauptmethoden, um optische Geräte zu verbinden: XPO und CPO. XPO konzentriert sich auf "tiefe Integration", was bedeutet, dass die Geräte vollständig verbunden sind. CPO hingegen konzentriert sich darauf, den verfügbaren Platz optimal zu nutzen, was für Geräte wichtig ist, die eingesteckt werden können.

CPO: Extreme Integration für maximale Leistung

Die Co-packaged Optics integriert die optische Engine und den Switching-Chip direkt. Dies führt zu einem kürzeren Signalweg, geringeren Verlusten und höherer Energieeffizienz. Theoretisch kann dieses Design eine höhere Bandbreitendichte und einen geringeren Stromverbrauch bieten und zeigt damit einen längerfristigen Entwicklungspfad auf.

Es gibt jedoch auch einige Punkte, die zu bedenken sind. Die optischen Komponenten und der Switching-Chip sind eng miteinander verbunden. Wenn das optische Modul oder seine Teile nicht richtig funktionieren, kann die Aufgabe ziemlich kompliziert werden. Häufig bedeutet dies, Änderungen am gesamten Gerät oder sogar am gesamten System vorzunehmen. Dies kann zu höheren Kosten und einer komplizierteren Wartung und einem komplizierteren Austausch führen.

CPO erfordert außerdem ein extrem hohes Maß an Reife bei Fertigungsprozessen und Lieferkette. Derzeit ist unklar, ob es für den großflächigen kommerziellen Einsatz bereit ist, daher ist schwer zu sagen, wie schnell es übernommen wird.

XPO: Technische Optimierung innerhalb einer steckbaren Architektur

XPO unterscheidet sich von CPO, weil es nicht auf die steckbare Architektur verzichtet. Stattdessen nimmt es Verbesserungen am aktuellen System vor. XPO nähert sich der Leistung von CPO an, indem es die Kanaldichte erhöht, Flüssigkeitskühlung hinzufügt und die Stromversorgung verbessert. Außerdem behält es dieselbe modulare Austauschbarkeit bei.

Dieses Design erreicht ein realistischeres Gleichgewicht zwischen Wartbarkeit, Upgrade-Flexibilität und Bereitstellungskosten und eignet sich damit besser für die Anforderungen der technischen Umsetzung aktueller großer Rechenzentren.

Unterschiede bei der Wahl aus technischer Sicht

CPO konzentriert sich stärker auf langfristige technische Ziele, wie extreme Leistung und zukünftige Änderungen. Kurzfristig ist der Einsatz jedoch weiterhin schwierig. XPO hingegen ist eine praktischere Wahl. Es schafft ein Gleichgewicht zwischen Verbesserungen und einfacher Handhabung, wodurch es für Cloud-Anbieter leichter wird, es in großem Maßstab einzusetzen.

Aus diesem Grund bleiben steckbare Lösungen in Cloud-Rechenzentrumsumgebungen, die Stabilität und Wartbarkeit betonen, äußerst attraktiv.

Zusammenfassung

Insgesamt sind XPO und CPO keine einfachen Ersatzlösungen; vielmehr werden sie langfristig wahrscheinlich in verschiedenen Anwendungsszenarien koexistieren. CPO stellt die langfristige Obergrenze der Architektur dar, während XPO einen schnelleren Entwicklungspfad innerhalb des bestehenden Branchenökosystems repräsentiert. Die zukünftige Form von Rechenzentrumsnetzwerken wird weitgehend von der fortlaufenden Abwägung zwischen "Leistungsgrenzen" und "technischer Machbarkeit" abhängen.