LPO vs. CPO: ¿Qué interconexión óptica de centros de datos dominará la próxima generación?

Los centros de datos están creciendo, y la velocidad y la eficiencia se han convertido en los elementos centrales de su desarrollo. En este contexto, la competencia en la tecnología de interconexión óptica ha entrado en una etapa candente. El oscilador de enganche de fase láser (LPO) y el oscilador de enganche de fase coherente (CPO) se han convertido en las tecnologías líderes en este campo. Este artículo analizará en detalle las diferentes características, ventajas y desafíos de estas dos tecnologías para ayudarle a comprender mejor su papel clave en la interconexión óptica de centros de datos.

El auge de CPO y LPO

El consumo de energía de los módulos ópticos tradicionales de 10Gb es de alrededor de 1 W (módulo de cobre alrededor de 2 W). Sin embargo, con la introducción de los módulos ópticos 400G y 800G, el consumo de energía aumenta rápidamente hasta 30 W. Peor aún, cuando el número de módulos ópticos llega a varias decenas (p. ej., 48 módulos, el consumo total de energía puede llegar a 48 × 30 = 1440 W), su consumo de energía suele representar el 40% o más del consumo total de energía de todo el equipo. El aumento del consumo energético de los dispositivos de comunicación óptica ha ejercido una enorme presión sobre los centros de datos, especialmente en términos de costos energéticos. Se ha convertido en un problema que no puede ignorarse. Por lo tanto, cómo reducir eficazmente el consumo de energía y ahorrar energía se ha convertido en un problema urgente en la industria.

Debido a esto, han surgido las soluciones CPO y LPO, que se han convertido rápidamente en dos temas candentes en la industria de módulos ópticos. En la actualidad, muchos proveedores han acelerado el desarrollo y la planificación de tecnologías relacionadas, con la esperanza de tomar la delantera en esta ola de revolución tecnológica.

¿Qué es CPO?

CPO, o Co-Packaged Optics, es una tecnología de vanguardia que combina la óptica y los chips de conmutación. Elimina los módulos ópticos conectables habituales, acercando el motor óptico y el chip de conmutación. Esto, a su vez, aumenta la velocidad de las señales eléctricas entre ellos, mejorando el rendimiento general.Las soluciones CPO son más pequeñas y más eficientes energéticamente que los módulos ópticos tradicionales, lo que las convierte en una gran opción.

Desarrollo de la tecnología CPO

El desarrollo de la tecnología CPO puede dividirse específicamente en dos etapas:

Fase I: tecnología de óptica cerca del paquete (NPO)

Antes de que la tecnología CPO esté completamente madura, la tecnología NPO es un programa de transición más conveniente. Ofrece las ventajas de bajo coste y bajo consumo de energía en un período relativamente corto y es especialmente adecuada para el desarrollo y la implementación iniciales de sistemas.

Fase II: Tecnología CPO

Esta es la forma más reciente de tecnología de conmutación fotónica de silicio diseñada para minimizar los costos de red y el consumo de energía. En la solución CPO, el motor óptico y el chip de conmutación están integrados estrechamente en el mismo módulo, lo que mejora el rendimiento general del sistema y la eficiencia energética.

En la práctica, el motor óptico es principalmente responsable de la conversión óptica/eléctrica en la red de conmutación. La forma más común es el módulo conectable, pero están surgiendo nuevas formas de producto a medida que la tecnología continúa evolucionando. La forma CPO integra el chip de conmutación y el motor óptico en una sola ranura, mientras que la NPO los coloca por separado en la misma placa del sistema. Aunque ambos utilizan módulos optoelectrónicos, varían en el consumo de energía y el rendimiento de eficiencia debido a diferencias en la ubicación del paquete y la distancia de cableado.

Beneficios de CPO

Imagine una infraestructura de telecomunicaciones de alta tecnología en la que la optimización del espacio y la eficiencia energética son clave para gestionar el aumento del tráfico y de las velocidades. Al combinar la tecnología CPO, podemos lograr comunicaciones más rápidas y fiables, a la vez que creamos espacio para que las tecnologías de red crezcan de forma inteligente y energéticamente eficiente. Estos son los principales beneficios de CPO:

Integridad de señal mejorada

CPO mejora la integridad de la señal al reducir la distancia de transmisión de las señales eléctricas, lo que significa que no necesitará tanta compensación de señal. Este avance no solo mejora la flexibilidad del diseño de PCB, sino que también optimiza el rendimiento general, lo que resulta en mayor libertad y eficiencia de diseño.

Diseño compacto, alta integración

La tecnología CPO integra componentes fotónicos y electrónicos en el mismo paquete, lo que reduce significativamente el tamaño del sistema en comparación con el método tradicional de empaquetar módulos ópticos y chips electrónicos por separado. Esta compacidad es especialmente importante en circuitos integrados de alta densidad, donde cada pulgada de espacio es crítica.

Latencia reducida

CPO puede reducir significativamente el consumo de energía y mejorar la eficiencia de la tecnología LPO convencional integrando la electrónica y la óptica mediante un proceso CMOS. Dado que tanto el módulo óptico como el chip electrónico están encapsulados en el mismo marco, la ruta de transmisión de la señal se acorta significativamente, lo que reduce la latencia en comparación con los métodos de encapsulado separados.

Según el informe de LightCounting de diciembre de 2022, la demanda de tasas de red para HPC (computación de alto rendimiento) ya es más de 10 veces superior a la tasa actual. En el contexto de tal demanda, se espera que CPO reduzca el consumo de energía de la arquitectura existente de módulos ópticos enchufables en un 50%, resolviendo eficazmente el problema de la transmisión de interconexión de alta velocidad y alta densidad. Mientras tanto, los proveedores nacionales también están investigando y desarrollando activamente la tecnología CPO para promover su progreso continuo y madurez.

¿Qué es LPO?

LPO (Linear Drive Pluggable Optics) se refiere a una solución que emplea tecnología lineal de accionamiento directo en módulos de fibra óptica. A diferencia de los diseños tradicionales de módulos ópticos, LPO elimina componentes heredados comunes como los DSPs (Digital Signal Processors) y los CDRs (Clock Data Recovery), lo que reduce eficazmente el consumo de energía y la latencia del sistema. Este diseño es excelente porque es energéticamente eficiente y ofrece buen rendimiento, pero tiene algunas desventajas. Por un lado, no es el mejor para corregir errores y no puede llegar tan lejos como otros sistemas. Por eso, la tecnología LPO es mejor para comunicaciones de corta distancia, como dentro de centros de datos. Es especialmente buena cuando se necesita una velocidad muy alta y no hace falta que esté 100% libre de errores.

Los módulos ópticos enchufables tradicionales suelen depender de chips DSP para procesar señales de alta velocidad y garantizar una BER baja, pero esto también conlleva un mayor consumo de energía. En el caso de un Módulo óptico 400G, por ejemplo, el consumo de energía de un DSP de 7nm es de aproximadamente 4W, lo que representa casi la mitad del consumo de energía de todo el módulo. En cambio, LPO reduce el consumo de energía al omitir estos componentes adicionales, pero a costa de una menor distancia de transmisión y capacidad de corrección de errores.

Ventajas de los LPO

Las ópticas conectables de accionamiento lineal (LPOs) ofrecen una serie de ventajas en el ámbito de la interconexión óptica que las hacen ideales para mejorar la conectividad de los centros de datos y satisfacer las demandas de las redes modernas. A continuación se presentan algunos de los principales beneficios de la tecnología LPO:

Intercambio en caliente y mantenimiento simplificado

A diferencia de CPO, LPO mantiene el diseño modular tradicional de los componentes ópticos, lo que la convierte en una solución de baja interferencia y fácil mantenimiento. Si un componente en un sistema CPO falla, normalmente es necesario desmontar todo el switch, lo que genera un problema de mantenimiento. Sin embargo, LPO admite el intercambio en caliente, lo que resulta más conveniente para sustituir módulos defectuosos sin interrumpir el funcionamiento del sistema, minimizando el tiempo de inactividad.

Latencia reducida

El LPO prescinde del procesador de señal digital (DSP) tradicional, eliminando así la necesidad de un proceso complejo de reducción de señal. Este diseño da como resultado una sobrecarga de procesamiento del sistema mucho menor, lo que reduce eficazmente la latencia. Esto es especialmente importante en situaciones que requieren una latencia extremadamente baja, como la comunicación entre GPU en HPC.

Costo reducido

Al no depender de DSPs, los LPOs reducen eficazmente el consumo de energía y los costes operativos generales.La tecnología DSP está actualmente dominada por un puñado de empresas (por ejemplo, Broadcom e Inphi), lo que la convierte en una experiencia de alto coste y recursos limitados.La falta de dependencia de los LPOs respecto de los DSPs ayuda a reducir la necesidad de estos recursos escasos, lo que a su vez abre oportunidades de diversificación en la cadena de suministro y mejora la competitividad del mercado.

El alto nivel de interés en desarrollar y aplicar la tecnología LPO (Linearly Driven Pluggable Optics) por parte de todos los actores, desde los fabricantes de chips upstream hasta los proveedores de conmutación y los usuarios finales, sugiere que las perspectivas comerciales son muy prometedoras. En OFC 2023, empresas líderes del sector como Macom y Broadcom presentaron sus soluciones de accionamiento lineal, lo que enfatizó aún más la tendencia de esta tecnología. Mientras tanto, la solución de accionamiento lineal presentada por Arista ha sido reconocida por destacados proveedores de switches, incluidos Innovium y NVIDIA, lo que refleja el consenso de la industria sobre el inmenso valor de la tecnología LPO en aplicaciones de redes de vanguardia.

CPO frente a LPO: ¿Qué tecnología dominará las interconexiones ópticas de los centros de datos?

La tecnología LPO representa una elección estratégica, adaptada a escenarios específicos como las aplicaciones de corta distancia. Si bien LPO prescinde de componentes heredados como DSP/CDR, lo que puede presentar una pequeña compensación de rendimiento en términos de BER, las ventajas que aporta en consumo de energía, costo y latencia son significativas. A diferencia de CPO, LPO enfatiza la eficiencia y la reducción de costos en aplicaciones específicas y, por lo tanto, tiene fortalezas y debilidades únicas.

Aunque la tecnología LPO surgió un poco más tarde que CPO, se espera que gane popularidad en el mercado a un ritmo más rápido. Las diferencias entre CPO y LPO se muestran en la tabla siguiente:

Perspectivas futuras y desafíos de CPO

El mercado futuro de CPO es prometedor

La tecnología CPO ofrece una nueva dirección para aumentar la densidad de las interconexiones ópticas y se espera que se comercialice para aplicaciones superiores a 100T. Según LightCounting, los envíos de CPO comenzarán con puertos de 800G y 1.6T, y se espera que se comercialicen entre 2024 y 2025. De 2026 a 2027, se espera que los envíos de CPO aumenten significativamente en escenarios de comunicación de datos de corto alcance para proveedores de servicios en la nube a hiperescala, y se espera que la demanda del mercado crezca significativamente. CIR prevé que el mercado de CPO alcance los $5.4 mil millones en ingresos totales para 2027.

Se espera que el número de puertos CPO crezca de 50,000 en 2023 a 4.5 millones en 2027 en términos de ventas globales. Para 2027, se espera que los puertos CPO representen casi el 30 por ciento de los envíos en las categorías 800G y 1.6T. Según un informe de Yole, el mercado de CPO generará ingresos de aproximadamente $38 millones en 2022, y se espera que esto crezca a $2.6 mil millones para 2033, con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 46%.

Desafíos para CPO

Aunque la tecnología CPO ofrece nuevas posibilidades para interconexiones ópticas avanzadas, todavía enfrenta desafíos en cuanto a madurez tecnológica, urgencia de adopción del mercado y modelos de negocio. Estos problemas deben abordarse eficazmente para que CPO se convierta en una solución generalizada en el ámbito de las interconexiones ópticas de centros de datos.

Ruta tecnológica y madurez: La tecnología de oscilador coherente bloqueado en fase (CPO) aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo, y su ruta tecnológica necesita un mayor perfeccionamiento. Aunque el futuro de CPO es bastante prometedor, aún no ha alcanzado el nivel de aplicación generalizada y todavía necesita tiempo para acumular más casos prácticos y experiencias. En contraste, los tradicionales módulos ópticos enchufables siguen dominando el mercado, y CPO puede tardar algunos años en reemplazarlos como la solución dominante.

Urgencia de adopción: En la era de los módulos ópticos 3.2T, los requisitos de factor de forma y tamaño para la tecnología CPO eran elevados. Sin embargo, en la era actual de 1.6T, los módulos ópticos enchufables siguen proporcionando una solución convencional madura, y sus configuraciones 8x200G ya satisfacen las necesidades de la mayoría de las industrias. La demanda actual de soluciones CPO de mayor velocidad no es urgente, lo que puede ralentizar el rápido despliegue de los CPO en el mercado.

Desafíos del modelo de negocio: La implementación de la tecnología CPO requiere una gran reserva de tecnología de fotónica de silicio, lo que significa que su desarrollo dependerá en gran medida de la capacidad de I+D y producción de la tecnología relevante. La dependencia de fabricantes específicos puede convertirse en un obstáculo importante para la aplicación generalizada de la tecnología CPO. En primer lugar, la reserva de tecnología de fotónica de silicio y la complejidad del proceso de fabricación han concentrado la producción y la I+D de CPO en manos de unos pocos fabricantes. Esta dependencia puede dar lugar a la aparición de un monopolio tecnológico en el mercado, lo que a su vez afecta a la competitividad y la innovación tecnológica de diferentes proveedores. Además, una dependencia excesiva de un solo proveedor puede limitar el desarrollo tecnológico, aumentar la incertidumbre de la cadena de suministro y afectar la flexibilidad y libertad de los usuarios finales al elegir soluciones CPO.

Aunque la tecnología CPO muestra un gran potencial, aún enfrenta desafíos en cuanto a la madurez tecnológica, la urgencia del mercado y el establecimiento de modelos de negocio relevantes.

Perspectivas y desafíos del desarrollo de LPO

Progreso de la industria LPO: paralelismo en el país y en el extranjero

La tecnología LPO, una solución emergente de interconexión óptica, se espera que alcance la producción en masa a finales de 2024. A medida que esta tecnología continúa evolucionando, los principales proveedores globales ya han lanzado productos relacionados. Proveedores líderes como Macom, Semtech y MaxLinear han logrado avances significativos en el desarrollo tecnológico, y Broadcom está promoviendo activamente su propia solución LPO. Los expertos de la industria creen que, a medida que aumente la demanda de recursos informáticos por parte de los proveedores de servicios en la nube de América del Norte, grandes empresas como Microsoft, Meta, AWS y Google adoptarán gradualmente soluciones LPO para mejorar la eficiencia de la transferencia de datos y reducir la latencia.

Desafíos para LPO

Aunque LPO muestra un gran potencial para las interconexiones ópticas, todavía existen varios desafíos para su desarrollo. Abordar estos problemas es imprescindible para que la tecnología LPO sea favorecida en el mercado. Los siguientes son algunos de los principales desafíos que probablemente enfrentará LPO durante su desarrollo:

Requisitos de colaboración: La implementación de LPO requiere una estrecha colaboración entre los proveedores de LPO y los fabricantes de switches. Los fabricantes de módulos ópticos deben actualizar su tecnología y garantizar una estrecha coordinación entre las cadenas de suministro ascendentes y descendentes para impulsar la colaboración y la innovación en toda la industria.

Distancias de transmisión cortas: Los LPO están diseñados para eliminar el componente DSP, lo que aumenta la BER y limita la distancia a la que se puede transmitir la señal. Los LPO pueden no ser tan estables como los módulos ópticos tradicionales al transmitir a largas distancias. Inicialmente, los LPO pueden establecer una conexión desde unos pocos metros hasta unas pocas decenas de metros y, en el futuro, la distancia de transmisión podría extenderse hasta 500M. Para abordar este problema, es importante optimizar la distancia de transmisión y reforzar los mecanismos de corrección de errores del sistema.

La estandarización se encuentra en una etapa temprana: El proceso de estandarización de LPO aún se encuentra en una etapa temprana, y la interoperabilidad de la tecnología puede encontrar ciertas dificultades. En la actualidad, LPO es más aplicable a sistemas cerrados de un solo proveedor. Si se adopta un programa de múltiples proveedores y la capacidad de integración interna es insuficiente, puede provocar incompatibilidad del sistema y problemas en la división de responsabilidades. En este caso, las soluciones tradicionales basadas en DSP pueden seguir siendo más ventajosas.

Limitaciones del diseño del canal eléctrico: los LPO imponen mayores exigencias al diseño del canal eléctrico en el lado del sistema. Actualmente, SerDes utiliza principalmente especificaciones 112G y se espera que se actualice a 224G en el futuro; sin embargo, es posible que la tecnología LPO no pueda cumplir con los requisitos de transmisión del próximo SerDes 224G, lo que puede limitar su rendimiento en futuras aplicaciones de transmisión de datos a gran escala.

En conclusión, aunque la tecnología LPO tiene muchos potenciales y ventajas, se necesitan más innovaciones tecnológicas y cooperación de la industria para superar los desafíos mencionados y lograr aplicaciones generalizadas.

Conclusión

Si bien la óptica conectable de accionamiento lineal (LPO) y la óptica coempaquetada (CPO) están surgiendo como tendencias futuras en la tecnología de interconexión de centros de datos, los módulos ópticos conectables siguen siendo la solución estándar de la industria. A medida que la demanda de mayor rendimiento y menor latencia en el centro de datos continúa creciendo, proveedores como QSFPTEK han presentado módulos Ethernet e InfiniBand conectables de 800G. Estos módulos son capaces de ofrecer velocidades de datos de hasta 800 gigabits por segundo, proporcionando soporte de ancho de banda crítico para aplicaciones HPC. En el futuro, a medida que la tecnología evolucione aún más y la industria adopte nuevas tecnologías, los CPO y LPO pueden reemplazar gradualmente a los módulos ópticos conectables existentes, especialmente en centros de datos de hiperescala y aplicaciones de computación de alto rendimiento.