LPO vs CPO : quelle interconnexion optique de centre de données dominera la prochaine génération ?

Les centres de données se développent, et la vitesse ainsi que l’efficacité sont devenues les éléments centraux de leur développement. Dans ce contexte, la concurrence dans la technologie d’interconnexion optique est entrée dans une phase extrêmement intense. Le Laser Phase-Locked Oscillator (LPO) et le Coherent Phase-Locked Oscillator (CPO) sont devenus les technologies de pointe dans ce domaine. Cet article analysera en détail les différentes caractéristiques, avantages et défis de ces deux technologies afin de vous aider à mieux comprendre leur rôle clé dans l’interconnexion optique des centres de données.

L’essor du CPO et du LPO

La consommation électrique des modules optiques 10Gb traditionnels est d’environ 1 W (environ 2 W pour les modules cuivre). Cependant, avec l’introduction des modules optiques 400G et 800G, la consommation électrique grimpe rapidement à 30 W. Pire encore, lorsque le nombre de modules optiques atteint plusieurs dizaines (par exemple, 48 modules, la consommation électrique totale pouvant atteindre 48 × 30 = 1440 W), leur consommation électrique représente souvent 40 % ou plus de la consommation électrique totale de l’ensemble de l’équipement. La forte hausse de la consommation d’énergie des dispositifs de communication optique a exercé une pression considérable sur les centres de données, en particulier en matière de coûts énergétiques. C’est devenu un problème qui ne peut être ignoré. Par conséquent, réduire efficacement la consommation électrique et économiser l’énergie est devenu un problème urgent dans le secteur.

De ce fait, les solutions CPO et LPO ont émergé et sont rapidement devenues deux sujets majeurs dans l’industrie des modules optiques. De nos jours, de nombreux fournisseurs ont accéléré le développement et le déploiement de technologies associées, espérant prendre la tête de cette vague de révolution technologique.

Qu’est-ce que le CPO ?

CPO, ou Co-Packaged Optics, est une technologie de pointe qui combine l'optique et les puces de commutation. Elle supprime les modules optiques enfichables habituels, rapprochant le moteur optique et la puce de commutation. Cela augmente à son tour la vitesse des signaux électriques entre eux, améliorant les performances globales.Les solutions CPO sont plus petites et plus économes en énergie que les modules optiques traditionnels, ce qui en fait un excellent choix.

Développement de la technologie CPO

Le développement de la technologie CPO peut être divisé précisément en deux étapes :

Phase I: Technologie d'optique proche du boîtier (NPO)

Avant que la technologie CPO ne soit pleinement mature, la technologie NPO constitue un programme de transition plus pratique. Elle offre les avantages d’un faible coût et d’une faible consommation d’énergie sur une période relativement courte et convient particulièrement au développement et au déploiement initiaux des systèmes.

Phase II : technologie CPO

Il s’agit de la dernière forme de technologie de commutation photonique sur silicium conçue pour minimiser les coûts de réseau et la consommation d’énergie. Dans la solution CPO, le moteur optique et la puce de commutation sont étroitement intégrés dans le même module, ce qui améliore les performances globales du système et l’efficacité énergétique.

En pratique, le moteur optique est principalement responsable de la conversion optique/électrique dans le réseau de commutation. La forme la plus courante est le module enfichable, mais de nouvelles formes de produits émergent à mesure que la technologie continue d’évoluer. La forme CPO intègre la puce de commutation et le moteur optique dans un seul emplacement, tandis que la NPO les place séparément sur la même carte système. Bien que les deux utilisent des modules optoélectroniques, leurs performances en matière de consommation d’énergie et d’efficacité varient en raison des différences d’emplacement du boîtier et de distance de câblage.

Avantages du CPO

Imaginez une infrastructure télécom de haute technologie où l’optimisation de l’espace et l’efficacité énergétique sont essentielles pour gérer l’augmentation du trafic et des débits. En combinant la technologie CPO, nous pouvons obtenir des communications plus rapides et plus fiables, tout en créant de l’espace pour que les technologies de réseau se développent de manière intelligente et économe en énergie. Voici les principaux avantages du CPO :

Intégrité du signal améliorée

Le CPO améliore l’intégrité du signal en réduisant la distance de transmission des signaux électriques, ce qui signifie que vous n’aurez pas besoin d’autant de compensation du signal. Cette avancée améliore non seulement la flexibilité de la conception des PCB, mais optimise également les performances globales, offrant ainsi davantage de liberté de conception et d’efficacité.

Conception compacte, haute intégration

La technologie CPO intègre des composants photoniques et électroniques dans le même boîtier, ce qui réduit considérablement la taille du système par rapport à la méthode traditionnelle consistant à encapsuler séparément les modules optiques et les puces électroniques. Cette compacité est particulièrement importante dans les circuits intégrés à haute densité, où chaque pouce d’espace est critique.

Latence réduite

Le CPO est capable de réduire considérablement la consommation d’énergie et d’améliorer l’efficacité de la technologie LPO conventionnelle en intégrant l’électronique et l’optique au moyen d’un procédé CMOS. Comme le module optique et la puce électronique sont tous deux encapsulés dans le même cadre, le chemin de transmission du signal est considérablement raccourci, ce qui réduit la latence par rapport aux méthodes d’encapsulation séparées.

Selon le rapport de LightCounting de décembre 2022, la demande en débits réseau pour le HPC (calcul haute performance) est déjà plus de 10 fois supérieure au débit actuel. Dans le contexte d’une telle demande, le CPO devrait réduire de 50 % la consommation d’énergie de l’architecture existante de modules optiques enfichables, résolvant efficacement le problème de la transmission d’interconnexion à haut débit et à haute densité. Parallèlement, les fournisseurs nationaux mènent également activement des recherches et développent la technologie CPO afin de promouvoir sa progression continue et sa maturité.

Qu’est-ce que LPO ?

LPO (Linear Drive Pluggable Optics) désigne une solution qui emploie une technologie linéaire à pilotage direct dans les modules à fibre optique. Contrairement aux conceptions traditionnelles de modules optiques, LPO élimine les composants hérités courants tels que les DSP (Digital Signal Processors) et les CDR (Clock Data Recovery), ce qui réduit efficacement la consommation d’énergie et la latence du système. Cette conception est intéressante car elle est économe en énergie et offre de bonnes performances, mais elle comporte certains compromis. D’une part, elle n’est pas la meilleure pour corriger les erreurs et elle ne peut pas aller aussi loin que d’autres systèmes. La technologie LPO est donc plus adaptée aux communications à courte distance, comme à l’intérieur des centres de données. Elle est particulièrement efficace lorsque vous avez besoin d’une très grande rapidité et que vous n’avez pas besoin qu’elle soit exempte d’erreurs à 100 %.

Les modules optiques enfichables traditionnels s'appuient généralement sur des puces DSP pour traiter les signaux à haut débit afin d'assurer un faible BER, mais cela entraîne également une consommation d'énergie plus élevée. Dans le cas d'un module optique 400G, par exemple, la consommation d’énergie d’un DSP 7nm est d’environ 4W, ce qui représente près de la moitié de la consommation d’énergie de l’ensemble du module. En revanche, LPO réduit la consommation d’énergie en omettant ces composants supplémentaires, mais au prix d’une distance de transmission et d’une capacité de correction d’erreurs réduites.

Avantages des LPO

Les optiques enfichables à entraînement linéaire (LPO) offrent un certain nombre d’avantages dans le domaine de l’interconnexion optique, qui les rendent idéales pour améliorer la connectivité des centres de données et répondre aux exigences des réseaux modernes. Voici quelques-uns des principaux avantages de la technologie LPO :

Remplacement à chaud et maintenance simplifiée

Contrairement au CPO, le LPO conserve la conception modulaire traditionnelle des composants optiques, ce qui en fait une solution à faible interférence et facile à maintenir. Si un composant d’un système CPO tombe en panne, l’ensemble du commutateur doit généralement être démonté, ce qui crée des problèmes de maintenance. Cependant, le LPO prend en charge le remplacement à chaud, ce qui permet de remplacer plus facilement les modules défaillants sans interrompre le fonctionnement du système, minimisant ainsi les temps d’arrêt.

Latence réduite

Le LPO se passe du processeur de signal numérique (DSP) traditionnel, éliminant ainsi la nécessité d’un processus complexe de réduction du signal. Cette conception entraîne une surcharge de traitement système beaucoup plus faible, ce qui réduit efficacement la latence. C’est particulièrement important dans les situations qui exigent une latence extrêmement faible, comme la communication inter-GPU dans le HPC.

Coût réduit

En ne s’appuyant pas sur les DSP, les LPO réduisent efficacement la consommation d’énergie et les coûts d’exploitation globaux.La technologie DSP est actuellement dominée par une poignée d’entreprises (par exemple, Broadcom et Inphi), ce qui en fait une expertise coûteuse et aux ressources limitées.L’absence de dépendance des LPO vis-à-vis des DSP contribue à réduire le besoin de ces ressources rares, ce qui ouvre à son tour des possibilités de diversification dans la chaîne d’approvisionnement et améliore la compétitivité du marché.

Le fort intérêt pour le développement et l’application de la technologie LPO (Linearly Driven Pluggable Optics), de la part de toutes les parties, des fabricants de puces en amont aux fournisseurs de commutation et aux utilisateurs finaux, suggère que les perspectives commerciales sont très prometteuses. Lors de l’OFC 2023, des entreprises leaders du secteur telles que Macom et Broadcom ont présenté leurs solutions de pilotage linéaire, soulignant davantage la tendance de cette technologie. Par ailleurs, la solution de pilotage linéaire introduite par Arista a été reconnue par des fournisseurs de commutateurs de premier plan, notamment Innovium et NVIDIA, reflétant le consensus du secteur sur l’immense valeur de la technologie LPO dans les applications réseau de pointe.

CPO vs. LPO : quelle technologie dominera les interconnexions optiques des centres de données ?

La technologie LPO représente un choix stratégique, adapté à des scénarios spécifiques tels que les applications à courte distance. Bien que le LPO se passe de composants hérités tels que DSP/CDR, ce qui peut entraîner un léger compromis de performance en termes de BER, les avantages qu’il apporte en matière de consommation, de coût et de latence sont significatifs. Contrairement au CPO, le LPO met l’accent sur l’efficacité et la réduction des coûts dans des applications spécifiques et présente donc des forces et des faiblesses uniques.

Bien que la technologie LPO soit apparue un peu plus tard que la CPO, elle devrait gagner en popularité sur le marché à un rythme plus rapide. Les différences entre CPO et LPO sont présentées dans le tableau ci-dessous :

Perspectives d'avenir et défis du CPO

Le futur marché du CPO est prometteur

La technologie CPO offre une nouvelle voie pour augmenter la densité des interconnexions optiques et devrait être commercialisée pour des applications supérieures à 100T. Selon LightCounting, les expéditions CPO commenceront avec des ports 800G et 1.6T et devraient être commercialisées entre 2024 et 2025. De 2026 à 2027, les expéditions CPO devraient augmenter considérablement dans les scénarios de communication de données à courte portée pour les fournisseurs de services cloud hyperscale, et la demande du marché devrait croître de manière significative. CIR prévoit que le marché CPO atteindra un chiffre d’affaires total de 5,4 milliards de dollars d’ici 2027.

Le nombre de ports CPO devrait passer de 50,000 en 2023 à 4.5 millions en 2027 en termes de ventes mondiales. D’ici 2027, les ports CPO devraient représenter près de 30 pour cent des expéditions dans les catégories 800G et 1.6T. Selon un rapport de Yole, le marché CPO générera des revenus d’environ $38 million en 2022, et cela devrait atteindre $2.6 billion d’ici 2033, avec un taux de croissance annuel composé (CAGR) de 46%.

Défis pour CPO

Bien que la technologie CPO offre de nouvelles perspectives pour les interconnexions optiques avancées, elle doit encore relever des défis en matière de maturité technologique, d’urgence d’adoption par le marché et de modèles économiques. Ces enjeux doivent être traités efficacement pour que le CPO devienne une solution grand public dans le domaine des interconnexions optiques des centres de données.

Voie technologique et maturité : la technologie des oscillateurs cohérents verrouillés en phase (CPO) en est encore aux premiers stades de développement, et sa voie technologique doit être davantage affinée. Bien que l’avenir du CPO soit très prometteur, il n’a pas encore atteint le niveau d’une application généralisée et il lui faut encore du temps pour accumuler davantage de cas pratiques et d’expériences. En revanche, les solutions traditionnelles modules optiques enfichables dominent encore le marché, et il faudra peut-être quelques années pour que CPO les remplace comme solution dominante.

Urgence de l’adoption : à l’ère des modules optiques 3.2T, les exigences en matière de format et de taille pour la technologie CPO étaient élevées. Cependant, à l’ère actuelle du 1.6T, les modules optiques enfichables offrent toujours une solution grand public mature, et leurs configurations 8x200G répondent déjà aux besoins de la plupart des industries. La demande actuelle de solutions CPO à plus haut débit n’est pas urgente, ce qui peut ralentir le déploiement rapide des CPO sur le marché.

Défis du modèle économique : la mise en œuvre de la technologie CPO nécessite une importante réserve de technologie photonique sur silicium, ce qui signifie que son développement dépendra fortement de la capacité de R&D et de production de la technologie concernée. La dépendance à l’égard de fabricants spécifiques peut devenir un obstacle majeur à l’application généralisée de la technologie CPO. Tout d’abord, la réserve de technologie photonique sur silicium et la complexité du processus de fabrication ont concentré la production et la R&D de CPO entre les mains de quelques fabricants. Cette dépendance peut entraîner l’émergence d’un monopole technologique sur le marché, ce qui affecte à son tour la compétitivité et l’innovation technologique des différents fournisseurs. En outre, une dépendance excessive à l’égard d’un seul fournisseur peut limiter le développement technologique, accroître l’incertitude de la chaîne d’approvisionnement et affecter la flexibilité et la liberté des utilisateurs finaux dans le choix des solutions CPO.

Bien que la technologie CPO présente un grand potentiel, elle est encore confrontée à des défis concernant la maturité technologique, l’urgence du marché et l’établissement de modèles économiques pertinents.

Perspectives de développement et défis de LPO

Progrès de l’industrie LPO : parallélisme au niveau national et à l’étranger

La technologie LPO, une solution d’interconnexion optique émergente, devrait atteindre la production de masse d’ici la fin de 2024. À mesure que cette technologie continue d’évoluer, les principaux fournisseurs mondiaux ont déjà lancé des produits connexes. Des fournisseurs de premier plan tels que Macom, Semtech et MaxLinear ont réalisé des progrès significatifs dans le développement technologique, et Broadcom promeut activement sa propre solution LPO. Les experts du secteur estiment qu’à mesure que la demande en ressources de calcul des fournisseurs de services cloud nord-américains augmente, de grandes entreprises telles que Microsoft, Meta, AWS et Google adopteront progressivement des solutions LPO afin d’améliorer l’efficacité du transfert de données et de réduire la latence.

Défis pour LPO

Bien que LPO présente un grand potentiel pour les interconnexions optiques, son développement se heurte encore à un certain nombre de défis. Il est impératif de résoudre ces problèmes pour que la technologie LPO soit privilégiée sur le marché. Voici quelques-uns des principaux défis auxquels LPO est susceptible d’être confrontée au cours de son développement :

Exigences de collaboration : le déploiement de LPO nécessite une étroite collaboration entre les fournisseurs de LPO et les fabricants de commutateurs. Les fabricants de modules optiques doivent améliorer leur technologie et assurer une coordination étroite entre les chaînes d’approvisionnement en amont et en aval afin de favoriser la collaboration et l’innovation dans l’ensemble du secteur.

Courtes distances de transmission : les LPO sont conçus pour éliminer le composant DSP, ce qui augmente le BER et limite la distance sur laquelle le signal peut être transmis. Les LPO peuvent ne pas être aussi stables que les modules optiques traditionnels lors de transmissions sur de longues distances. Initialement, les LPO peuvent établir une connexion sur quelques mètres à quelques dizaines de mètres, et à l’avenir, la distance de transmission pourrait être étendue jusqu’à 500M. Pour résoudre ce problème, il est important d’optimiser la distance de transmission et de renforcer les mécanismes de correction d’erreurs du système.

La normalisation en est à un stade précoce : le processus de normalisation du LPO en est encore à un stade précoce, et l’interopérabilité de la technologie peut rencontrer certaines difficultés. À l’heure actuelle, le LPO est davantage applicable aux systèmes fermés à fournisseur unique. Si un programme multifournisseur est adopté et que la capacité d’intégration interne est insuffisante, cela peut entraîner une incompatibilité du système et des problèmes dans la répartition des responsabilités. Dans ce cas, les solutions traditionnelles basées sur DSP peuvent encore être plus avantageuses.

Limites de la conception des canaux électriques : les LPO imposent des exigences plus élevées à la conception des canaux électriques côté système. Actuellement, les SerDes utilisent principalement des spécifications 112G et devraient passer à 224G à l’avenir ; toutefois, la technologie LPO pourrait ne pas être en mesure de répondre aux exigences de transmission des futurs SerDes 224G, ce qui pourrait limiter ses performances dans les futures applications de transmission de données à grande échelle.

En conclusion, bien que la technologie LPO présente de nombreux potentiels et avantages, davantage d’innovations technologiques et de coopération au sein de l’industrie sont nécessaires pour surmonter les défis ci-dessus et permettre des applications à grande échelle.

Conclusion

Alors que les optiques enfichables à entraînement linéaire (LPO) et les optiques co-packagées (CPO) émergent comme des tendances futures dans la technologie d’interconnexion des centres de données, les modules optiques enfichables restent la solution standard de l’industrie. Alors que la demande de performances plus élevées et de latence plus faible dans les centres de données continue de croître, des fournisseurs comme QSFPTEK ont introduit des modules enfichables Ethernet et InfiniBand 800G. Ces modules sont capables de fournir des débits de données allant jusqu’à 800 Gigabits par seconde, offrant une prise en charge de bande passante essentielle pour les applications HPC. À l’avenir, à mesure que la technologie évoluera davantage et que l’industrie adoptera de nouvelles technologies, les CPO et les LPO pourraient progressivement remplacer les modules optiques enfichables existants, en particulier dans les centres de données hyperscale et les applications de calcul haute performance.