Descripción general del transceptor XPO: ¿Cuál es la diferencia con CPO?

A medida que los módulos ópticos han evolucionado de 100G a 400G, 800G e incluso hacia 1.6T, la capacidad de ancho de banda de los centros de datos ha aumentado continuamente. Durante mucho tiempo, la idea de que "aumentar la velocidad resuelve el problema" funcionó. Sin embargo, a medida que las cargas de trabajo de entrenamiento de IA se expanden rápidamente, depender simplemente de los aumentos de velocidad por sí solos es insuficiente.

El cuello de botella actual ya no es solo si el ancho de banda de un único puerto es suficiente; se ha ampliado a todo el nivel del sistema—la densidad de puertos, el control del consumo de energía, el espacio para la disipación de calor y los problemas de mantenimiento posteriores están surgiendo simultáneamente y se restringen mutuamente.

En este contexto, la industria está explorando nuevas vías de interconexión óptica. Por un lado, existen soluciones altamente integradas como CPO; por otro, hay nuevos ajustes en las arquitecturas conectables. XPO (eXtra-dense Pluggable Optics) es una dirección que ha surgido gradualmente bajo este enfoque.

La infraestructura de IA está entrando en una nueva fase de restricciones

A medida que los centros de datos se alejan gradualmente de las configuraciones tradicionales en la nube y adoptan sistemas de computación masivos centrados en la IA, el papel de la red también está cambiando. Es más que solo una forma de mover datos — es una parte vital de la infraestructura que afecta directamente a la eficacia con la que las personas pueden entrenar modelos y a la eficiencia con la que usan los recursos.

Por lo general, aumentar las velocidades de los puertos de 400G a 800G y luego a 1.6T no es suficiente para satisfacer las necesidades de los sistemas del mundo real. El problema principal es pasar del "ancho de banda de un solo puerto" a cuestiones más complejas a nivel de sistema.

La presión sobre el ancho de banda se está desplazando de un único punto a uno global

Durante el entrenamiento de modelos grandes, numerosas GPU o tarjetas aceleradoras necesitan sincronizar continuamente parámetros y gradientes, lo que da lugar a frecuencias de intercambio de datos extremadamente altas entre nodos. A medida que aumenta el tamaño del modelo, el tráfico de red crece significativamente más rápido que el aumento de la velocidad de un solo puerto.

Aunque las velocidades de interfaz siguen aumentando, la densidad del ancho de banda de red aún puede limitar fácilmente la eficiencia del entrenamiento, especialmente en escenarios de entrenamiento paralelo multinodo.

Los problemas de fiabilidad se amplifican en implementaciones a gran escala

En los clústeres de IA, el número de enlaces de módulos ópticos puede alcanzar fácilmente decenas de miles, o incluso más. Si la escala aumenta, aunque cada enlace no falle con mucha frecuencia, probablemente habrá algunos problemas. Será difícil evitar estos problemas por completo.

En este tipo de entorno, si un enlace falla, afecta a más que solo un área local. Puede pausar, reprogramar o cancelar tareas de entrenamiento utilizando todos los recursos informáticos. La fiabilidad de la red es más que una simple función visual. La empresa necesita funcionar sin problemas.

Los sistemas de refrigeración están migrando hacia arquitecturas de refrigeración líquida.

A medida que el consumo de energía de los chips de computación de IA continúa aumentando, las soluciones tradicionales de refrigeración por aire se están acercando a sus límites, y la refrigeración líquida se está convirtiendo en el enfoque principal para los centros de datos de alta densidad.

Esto también impone nuevas restricciones a los dispositivos de interconexión óptica: no solo debe garantizarse el rendimiento de la señal, sino que el diseño estructural, la selección de materiales y el diseño térmico también deben adaptarse a los entornos de refrigeración líquida para admitir implementaciones a nivel de rack de mayor densidad.

La eficiencia energética se ha convertido en uno de los indicadores clave del diseño de redes

En clústeres de IA de alta densidad, los recursos energéticos deben redistribuirse entre la computación y la red. A medida que aumenta la escala del sistema, el consumo de energía del lado de la red no puede ignorarse.

Como resultado, "potencia por bit" ha surgido como una métrica fundamental para evaluar las soluciones de interconexión óptica, lo que repercute directamente en los costes operativos generales y en el límite superior de la eficiencia energética del sistema.

Densidad de puertos físicos acercándose a los límites de ingeniería

Los factores de forma de módulos ópticos conectables convencionales actuales (como OSFP) se están acercando a los límites de densidad física a medida que aumenta el ancho de banda. Cuando el ancho de banda del chip sigue creciendo mientras la densidad de puertos no puede aumentar simultáneamente, la arquitectura de red debe añadir capas, lo que da lugar a una mayor latencia y diseños más complejos.

¿Qué es XPO (eXtra-dense Pluggable Optics)?

Con la proximidad de OFC 2026, Arista Networks, en colaboración con varios fabricantes de módulos ópticos, propuso el concepto de XPO (eXtra-dense Pluggable Optics). XPO puede entenderse como una solución de interconexión óptica enchufable de alta densidad para centros de datos de IA de próxima generación. Su objetivo principal es mejorar aún más la densidad de ancho de banda y las capacidades de disipación de calor sin sacrificar las ventajas operativas de los módulos enchufables, para adaptarse a entornos informáticos de alta potencia.

XPO es más que una simple "mejora de velocidad". Es una reconstrucción completa de la estructura, la fuente de alimentación y los métodos de disipación de calor, todo enfocado en satisfacer las necesidades del despliegue de IA a nivel de rack.

Especificaciones y capacidades clave de XPO

Desde una perspectiva de diseño, XPO se ha apartado claramente de la ruta de evolución tradicional de OSFP, inclinándose más hacia una "unidad de interconexión óptica a nivel de sistema":

Todos estos factores apuntan a la misma realidad: XPO es más que un simple módulo óptico; es un componente de interconexión informática de alta densidad.

El cambio en comparación con OSFP es más que simplemente "duplicar"

Si usamos tradicional soluciones OSFP como referencia, XPO representa un avance significativo en múltiples dimensiones: el ancho de banda de un solo módulo aumenta aproximadamente 8 veces, la densidad del panel aumenta aproximadamente 4 veces y es la primera vez que se introduce una solución completa de refrigeración líquida en un factor de forma enchufable estándar.

El cambio más crucial no radica en las cifras en sí, sino en el cambio de lógica de diseño—de "aumentar la velocidad de un solo puerto" a "redefinir el factor de forma de las interconexiones ópticas en torno al consumo de energía y la densidad a nivel de rack." Bajo este enfoque, XPO se parece más a una unidad de interconexión fundamental, rediseñada para los escenarios de consumo de energía ultraalto de la IA.

Diseño innovador central de XPO: 

Arquitectura de apilamiento de PCB dual "Belly-to-Belly"

El cambio más significativo en la estructura de hardware de XPO es la sustitución del diseño tradicional de una sola PCB por un "apilamiento de doble PCB". Dos PCB de 32 canales se disponen estrechamente dorso con dorso, redefiniendo las áreas calientes y funcionales a nivel del sistema.

Esta estructura coloca los componentes que generan mucho calor (como los circuitos transmisores y los módulos controladores láser) en la "zona caliente" interna, y coloca los componentes de menor potencia (como los receptores y la lógica de control) en la "zona fría" externa. La idea principal de este método es reducir el recorrido que debe hacer el calor, lo que permite que el calor entre en el sistema de refrigeración más rápidamente y mejora la eficiencia con la que se elimina el calor.

A medida que se incorporan más canales en un solo módulo, el aspecto mecánico se vuelve más exigente. Hay muchos lugares donde colocar los dedos, por lo que se requiere más esfuerzo para conectar y desconectar. Con el tiempo, esto puede hacer que el mantenimiento rutinario resulte un poco más tedioso, especialmente en configuraciones complejas.

Refrigeración líquida a nivel de módulo: integrada directamente en el módulo óptico

XPO ahora incluye refrigeración líquida como parte del módulo. La placa fría está intercalada entre dos PCB. Esto permite que el calor de ambas capas se elimine conjuntamente mediante una ruta más corta y directa. Esto significa que no es necesario usar aire exterior ni conductos para mover el aire, por lo que se puede eliminar el calor justo donde se genera.

En la práctica, este diseño puede manejar TDPs de 400W o superiores. Cuando la temperatura del refrigerante está alrededor de 40–45°C, la temperatura general suele ser de 20 a 25°C inferior a la de las soluciones tradicionales de refrigeración por aire.

Los conectores son de conexión rápida ciega con un diseño a prueba de fugas, capaces de soportar aproximadamente 500 inserciones y extracciones repetidas. El interior de la placa fría no es solo una simple pieza de metal; incorpora canales de flujo que recorren zonas de calor concentrado. La estructura es simple, con una sola entrada y una sola salida. El enfoque general se parece más a una solución de placa fría para GPU que a un sistema de refrigeración de módulo "externo" tradicional, y se asemeja a un diseño a nivel de sistema.

Arquitectura eléctrica y fuente de alimentación de 50V

En los niveles de señal y alimentación, XPO también se ha rediseñado. Su arquitectura eléctrica admite 64 canales eléctricos de alta velocidad, cada uno a 200Gbps PAM4, logrando un ancho de banda total de 12.8Tbps, y está previsto que evolucione hacia canales de 400Gbps para alcanzar una capacidad de 25.6Tbps.

Varias características clave del diseño eléctrico son:

En primer lugar, diseño de canales optimizado: las señales Tx y Rx se colocan en lados opuestos de la tarjeta paddle para reducir la diafonía y mejorar la integridad de la señal, lo que la hace más adecuada para escenarios de arquitectura de accionamiento lineal (LPO).

En segundo lugar, las secciones de alimentación y control están diseñadas por separado. Las señales de control de baja velocidad (como I2C/I3C, reinicio y señales de alarma) utilizan un conector central separado. Este conector está físicamente separado del canal de datos de alta velocidad. Esto reduce la interferencia eléctrica, mejora la estabilidad de las señales de control y evita que los enlaces de alta velocidad las afecten.

Más importante aún, la arquitectura de la fuente de alimentación se ha actualizado. XPO utiliza una entrada de CC de 46–53V (normalmente alrededor de 48V/50V), directamente desde la fuente de alimentación del bus a nivel de rack. En comparación con los módulos tradicionales de 3.3V, esto reduce significativamente los requisitos de corriente, reduciendo así las pérdidas de línea y el tamaño del conector, y mejorando la eficiencia general de la fuente de alimentación. Este diseño también se alinea mejor con la tendencia futura de alimentación de CC de alto voltaje en los centros de datos.

El impacto real de XPO en la arquitectura de centros de datos

La importancia de XPO va más allá de hacer que cada individuo módulos ópticos o los dispositivos de conmutación mejores. Afecta directamente al diseño de todo el centro de datos. Cuando un solo módulo logra grandes mejoras en ancho de banda, consumo de energía y disipación de calor, este cambio se acumula capa por capa a lo largo de la jerarquía de red. Al final, esto afecta a la capacidad general del sistema, a cómo se utiliza y a la estructura general de costos.

Desde una perspectiva de diseño de sistemas, por ejemplo, para construir una red con una capacidad total de conmutación de 204.8 Tbps, el espacio en rack requerido por la solución XPO es solo aproximadamente una cuarta parte del de la solución OSFP tradicional, lo que corresponde a un aumento de aproximadamente cuatro veces en la densidad de ancho de banda. Esto significa que, dentro del mismo espacio físico, los dispositivos de red pueden admitir un mayor rendimiento, proporcionando así un soporte de infraestructura más compacto para el entrenamiento de IA y la computación de alto rendimiento.

En un entorno típico de rack refrigerado por líquido ORv3 (HPR), la diferencia entre las dos soluciones también es muy significativa. El consumo de energía de un solo rack en una arquitectura OSFP tradicional es de aproximadamente 32 kW. En comparación, la solución XPO puede aumentarlo a aproximadamente 128 kW, más cerca del rango de densidad de potencia de 120 kW y superior que normalmente se planifica para sistemas refrigerados por líquido. En implementaciones prácticas, la solución OSFP a menudo no logra aprovechar plenamente las capacidades de la infraestructura refrigerada por líquido. En cambio, XPO logra una mejor correspondencia entre el consumo de energía y la capacidad de disipación de calor, lo que permite un uso más completo de los recursos energéticos y de refrigeración y, por lo tanto, mejora el rendimiento general del TCO.

En resumen, XPO puede ofrecer aproximadamente cuatro veces más capacidad de red en la misma cantidad de espacio. Esta mejora es más que solo ahorrar espacio; también afecta al coste de configurar un centro de datos, al tiempo necesario para implementarlo y a la complejidad de operarlo.

En escenarios de IA a hiperescala, esta ventaja es aún mayor. Por ejemplo, un centro de datos de IA de nivel 400MW con alrededor de 128,000 XPU que utiliza una topología Clos de tres capas requiere aproximadamente 12.8Tbps de ancho de banda de escalado vertical y 1.6Tbps de ancho de banda de escalado horizontal. En una arquitectura OSFP tradicional, la capacidad de conmutación por rack es de aproximadamente 1.64 Pbps. Sin embargo, la arquitectura XPO puede alcanzar alrededor de 6.55 Pbps, reduciendo el número de racks en aproximadamente un 75%.

Esta reducción en racks reduce la demanda de infraestructura como suministro eléctrico, refrigeración y cableado. Como resultado, los costos generales de construcción se reducen significativamente. XPO también se puede utilizar en entornos de centros de datos existentes para aumentar la densidad de implementación de aceleradores sin requerir espacio físico adicional, mejorando así el uso de los recursos existentes.

La diferencia fundamental entre XPO y CPO

Hoy en día, existen dos formas principales de conectar dispositivos ópticos: XPO y CPO. XPO se centra en la "integración profunda", lo que significa que los dispositivos están completamente conectados. Por otro lado, CPO se centra en aprovechar al máximo el espacio disponible, lo cual es importante para los dispositivos que pueden conectarse.

CPO: Integración extrema para un rendimiento máximo

La óptica coempaquetada integra directamente el motor óptico y el chip de conmutación. Esto da como resultado una ruta de señal más corta, menores pérdidas y una mayor eficiencia energética. En teoría, este diseño puede ofrecer una mayor densidad de ancho de banda y un menor consumo de energía, lo que muestra una vía de evolución a más largo plazo.

Pero también hay algunos problemas que considerar. Los componentes ópticos y el chip de conmutación están estrechamente conectados. Si el módulo óptico o sus piezas no funcionan correctamente, el trabajo puede complicarse bastante. Muchas veces, esto implica hacer cambios en todo el dispositivo o incluso en todo el sistema. Esto puede generar costos más altos y un mantenimiento y reemplazo más complicados.

CPO también exige niveles extremadamente altos de madurez en el proceso de fabricación y en la cadena de suministro. En este momento, no está claro si está listo para su uso comercial a gran escala, por lo que es difícil decir qué tan rápido se adoptará.

XPO: Optimización de ingeniería dentro de una arquitectura conectable

XPO es diferente de CPO porque no deja de usar la arquitectura enchufable. En cambio, introduce mejoras en el sistema actual. XPO se acerca al rendimiento de CPO al aumentar la densidad de canales, añadir refrigeración líquida y mejorar la fuente de alimentación. También mantiene la misma capacidad de sustitución modular.

Este diseño logra un equilibrio más realista entre mantenibilidad, flexibilidad de actualización y costos de implementación, lo que lo hace más adecuado para las necesidades de implementación de ingeniería de los centros de datos a gran escala actuales.

Diferencias en la elección desde una perspectiva de ingeniería

CPO se centra más en objetivos técnicos a largo plazo, como el rendimiento extremo y los cambios futuros. Pero aún tiene dificultades para usarse a corto plazo. XPO, por otro lado, es una opción más práctica. Logra un equilibrio entre realizar mejoras y mantener las cosas simples, lo que facilita que los proveedores de nube lo utilicen a escala.

Por este motivo, en entornos de centros de datos en la nube que enfatizan la estabilidad y la facilidad de mantenimiento, las soluciones enchufables siguen siendo muy atractivas.

Resumen

En general, XPO y CPO no son simples sustitutos; más bien, es más probable que coexistan en diferentes escenarios de aplicación a largo plazo. CPO representa el límite superior a largo plazo de la arquitectura, mientras que XPO representa una vía evolutiva más rápida dentro del ecosistema industrial existente. La forma futura de las redes de centros de datos dependerá en gran medida del equilibrio continuo entre los "límites de rendimiento" y la "viabilidad de ingeniería".