DSP o LPO? Comprendere i due percorsi che plasmano l'ottica ad alta velocità di nuova generazione

Con la rapida crescita dell'AI e del calcolo ad alte prestazioni (HPC), i data center devono far fronte a richieste crescenti di larghezza di banda ed efficienza energetica. Il passaggio da 400G a 800G, insieme alla prossima era 1.6T, rende la scelta della giusta tecnologia di transceiver una questione importante. Con questa tendenza, due approcci diversi sono diventati i principali argomenti di discussione: i tradizionali transceiver ottici basati su DSP e la soluzione LPO (Linear-Driven Pluggable Optical Module) in crescita.

Questo articolo esplora i principi di funzionamento di LPO, delinea le principali differenze rispetto alle architetture DSP e discute come selezionare soluzioni di transceiver appropriate per vari ambienti di implementazione, al fine di ottenere prestazioni di rete più efficienti e stabili.

Comprendere i moduli LPO

Quando la velocità di trasmissione è bassa, ogni modulo ottico consuma in genere 1–3W (10G/25G) o 5–8W (100G), che rappresentano una piccola parte del consumo energetico totale di uno switch. Ma quando le reti sono passate ai livelli 400G e 800G, il consumo energetico per modulo è aumentato notevolmente. Il tradizionale moduli 800G l'uso di architetture DSP può raggiungere un consumo energetico di picco di 16–18W, mentre i moduli basati su DSP in genere consumano più energia a velocità di trasmissione dati più elevate. I progressi nella progettazione DSP hanno inoltre prodotto moduli 400G a basso consumo. Nei data center su larga scala, velocità più elevate comportano un maggiore consumo energetico e una gestione termica più difficile, aumentando i costi operativi e riducendo l'efficienza complessiva delle apparecchiature.

Pertanto, la riduzione del consumo energetico dei moduli rimane un obiettivo centrale nella progettazione dei moduli ottici. In questo contesto, LPO, un'architettura leggera che elimina la complessa circuiteria DSP, offre un nuovo approccio per bilanciare la larghezza di banda ad alta velocità con l'efficienza energetica e i costi.

I moduli ottici collegabili a pilotaggio lineare (LPO) rappresentano un'architettura di transceiver per interconnessioni ad alta velocità che riduce il consumo energetico e la latenza eliminando i processori di segnale digitale (DSP). A differenza degli approcci tradizionali, gli LPO non eseguono elaborazioni complesse del segnale digitale all'interno del modulo stesso. Si affidano invece a driver laser altamente lineari e ad amplificatori a transimpedenza (TIA) per l'amplificazione di base del segnale, spostando le attività di elaborazione critiche, come l'equalizzazione e il recupero del clock, all'ASIC lato switch. Questo progetto impone requisiti più elevati sulla linearità e sull'immunità al rumore dei SerDes dello switch. I recenti progressi nella tecnologia di processo CMOS hanno accelerato la maturità dei SerDes ad alte prestazioni, rendendo gli LPO una soluzione praticabile per soddisfare i requisiti di espansione ad alta velocità dei data center.

Confronto tra transceiver basati su DSP e transceiver LPO

Ricetrasmettitori con processore di segnale digitale (DSP)

L'architettura DSP costituisce da tempo la base principale delle comunicazioni ottiche ad alta velocità, consentendo ai ricetrasmettitori di mantenere un funzionamento stabile in ambienti di collegamento complessi e ad alto rumore. Aggiungendo il DSP al modulo, i ricetrasmettitori gestiscono attività digitali chiave come l'equalizzazione, la correzione degli errori in avanti (FEC) e il recupero del clock. Queste attività aiutano a compensare i problemi di connessione, come perdita di segnale, diafonia (interferenza tra segnali) e dispersione (variazioni nell'intensità e nella temporizzazione del segnale). Le soluzioni DSP sono maggiormente in grado di resistere e mantenere l'affidabilità nella trasmissione a lunga distanza e in presenza di più fonti di interferenza.

Questi moduli ottici dotati di DSP sono ampiamente utilizzati nelle reti metropolitane, backbone e di interconnessione dei data center, dove distanza e interoperabilità sono davvero importanti. Rappresentano inoltre il principale percorso tecnologico per le implementazioni 400G e i primi moduli 800G. Tuttavia, questa catena completa di elaborazione del segnale comporta un costo significativo: il consumo energetico del DSP aumenta costantemente con l'incremento delle velocità di trasmissione dati. Nei progetti destinati alla generazione 1.6T, questa caratteristica intensifica ulteriormente il consumo energetico e le pressioni di gestione termica all'interno dei data center.

Transceiver ottici pluggable lineari (LPO)

Transceiver LPO differiscono dai moduli ottici basati su DSP perché eseguono una minore elaborazione digitale interna. Hanno un design più semplice perché non necessitano di un processore di segnali digitali. Questo cambiamento significativo offre al modulo vantaggi fondamentali in termini di efficienza energetica e minore latenza. I moduli LPO utilizzano componenti analogici altamente lineari, quindi il compito critico del complesso condizionamento del segnale viene trasferito al serializzatore/deserializzatore (SerDes) all'interno dello switch host.

Questo design rende i moduli Linear Pluggable Optical (LPO) un'ottima scelta per applicazioni a corto raggio e ad alta larghezza di banda in cluster AI e ambienti di calcolo ad alte prestazioni. In questi ambienti, è essenziale mantenere bassi la latenza e il consumo energetico. Per quanto riguarda i costi, i transceiver LPO potrebbero inizialmente costare di più rispetto ai moduli basati su DSP. Tuttavia, consumano meno energia e non richiedono una gestione termica altrettanto estesa, quindi finiscono per costare meno nel tempo. Ciò significa che costeranno meno nel tempo quando utilizzati su larga scala. Questo li rende un'ottima scelta per bilanciare le prestazioni tecniche con gli obiettivi di sostenibilità.

Ma ci sono alcune limitazioni all'architettura a pilotaggio lineare. Senza l'intera catena di recupero e compensazione del segnale fornita dai DSP, in genere, i transceiver LPO hanno una distanza di trasmissione effettiva inferiore a 500 metri su fibre multimodali standard, anche se ciò può variare in base alle prestazioni del SerDes host e alla qualità della fibra. Inoltre, questi moduli richiedono SerDes lato host con sufficiente linearità e immunità al rumore per funzionare correttamente. I moduli LPO sono più sensibili alla compatibilità rispetto ai transceiver standard basati su DSP. Spesso devono essere abbinati a specifici modelli di switch per funzionare bene. Quindi, è ancora importante assicurarsi che il dispositivo host sia compatibile prima di distribuirlo.

Quando dovrebbero essere selezionati i transceiver basati su DSP?

Quando cerchi prestazioni elevate, collegamenti solidi e qualcosa che funzioni con un'ampia gamma di apparecchiature, i transceiver dotati di DSP sono l'opzione di riferimento.

Ecco i requisiti dei link universali: i ricetrasmettitori DSP offrono buone prestazioni in una varietà di condizioni, sia per connessioni a breve distanza all'interno dei data center sia per link a lunga distanza nelle aree metropolitane. Questi modelli sono perfetti per situazioni che richiedono elaborazione del segnale e affidabilità di altissimo livello.

Ambienti multi-vendor: l'architettura DSP è standard in tutto il settore. Quando lavori con switch o router di fornitori diversi, una solida interoperabilità può ridurre significativamente i rischi e i costi di implementazione.

Condizioni di collegamento complesse o degradate: in ambienti con rumore elevato o connessioni complesse, DSP può mantenere un segnale forte utilizzando tecnologie di equalizzazione, correzione e recupero del clock. Questo li rende ideali per la trasmissione multi-hop o per sistemi in fibra obsoleti.

Quando l'affidabilità è l'obiettivo principale: per le reti in cui il funzionamento stabile è una metrica fondamentale, come le reti degli operatori o i sistemi mission-critical, un'architettura DSP matura e robusta offre maggiore sicurezza e prevedibilità.

Quando dovrebbero essere selezionati i ricetrasmettitori basati su LPO?

I moduli ottici innestabili a pilotaggio lineare (LPO) sono più adatti per scenari in cui il consumo energetico è un aspetto critico e sono necessarie connessioni efficienti con risorse limitate:

Per i collegamenti ai data center ad alta efficienza, i moduli LPO consumano poca energia e hanno una bassa latenza, il che li rende utili nei progetti ad alta densità mentre i requisiti di larghezza di banda continuano a crescere. Sono la soluzione perfetta per i data center che vogliono risparmiare energia.

In ambienti di implementazione con vincoli di alimentazione e dissipazione termica, come data center edge con spazio limitato e scenari di colocation con ridondanza di alimentazione limitata, i moduli LPO riducono significativamente i carichi termici e di distribuzione dell'alimentazione delle apparecchiature, consentendo cablaggi a densità più elevata.

Requisiti di costruzione green ed energeticamente efficiente: nelle implementazioni su larga scala, gli LPO riducono efficacemente il consumo energetico complessivo e la produzione di calore, contribuendo a ottimizzare la Power Usage Effectiveness (PUE) e a ridurre i costi operativi. Le loro caratteristiche di risparmio energetico sono inoltre strettamente in linea con le attuali esigenze dei data center in termini di sostenibilità e operazioni green.

Collegamenti a prova di futuro con basso consumo energetico: con l'evoluzione delle reti verso 800G e 1.6T, il basso consumo energetico, l'elevata linearità e il design compatto di LPO lo rendono adatto alle tecnologie di interconnessione ad alta velocità di prossima generazione. È una scelta chiave per i futuri design ad alta velocità e basso consumo perché bilancia qualità del segnale ed efficienza energetica.

Conclusione

Man mano che i data center avanzano verso 400G, 800G e la futura era 1.6T, sia i transceiver ottici basati su DSP sia i transceiver LPO continueranno a svolgere ruoli critici nei rispettivi ambiti. Le soluzioni DSP sono ancora le migliori per collegamenti complessi a lunga distanza e per ambienti con prodotti di vendor diversi, mentre LPO mostra chiari vantaggi nelle applicazioni AI e HPC a breve distanza perché consuma poca energia e ha una bassa latenza. La scelta dovrebbe basarsi su una valutazione equilibrata dell'architettura di rete specifica, degli scenari di implementazione e del costo complessivo.

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