LPO vs. CPO: quale interconnessione ottica per data center dominerà la prossima generazione?

I data center sono in crescita e velocità ed efficienza sono diventate gli elementi centrali del loro sviluppo. In questo contesto, la competizione nella tecnologia di interconnessione ottica è entrata in una fase incandescente. Laser Phase-Locked Oscillator (LPO) e Coherent Phase-Locked Oscillator (CPO) sono diventate le tecnologie leader in questo campo. Questo articolo analizzerà in dettaglio le diverse caratteristiche, i vantaggi e le sfide di queste due tecnologie per aiutarti a comprendere meglio il loro ruolo chiave nell'interconnessione ottica dei data center.

L'ascesa di CPO e LPO

Il consumo energetico dei moduli ottici tradizionali da 10Gb è di circa 1 W (modulo in rame circa 2 W). Tuttavia, con l'introduzione dei moduli ottici 400G e 800G, il consumo energetico aumenta rapidamente fino a 30 W. Peggio ancora, quando il numero di moduli ottici raggiunge diverse decine (ad esempio, 48 moduli, il consumo energetico totale può arrivare fino a 48 × 30 = 1440 W), il loro consumo energetico rappresenta spesso il 40% o più del consumo energetico totale dell'intera apparecchiatura. L'impennata del consumo energetico dei dispositivi di comunicazione ottica ha esercitato una pressione enorme sui data center, soprattutto in termini di costi energetici. È diventato un problema che non può essere ignorato. Pertanto, come ridurre efficacemente il consumo energetico e risparmiare energia è diventato un problema urgente nel settore.

Per questo motivo, le soluzioni CPO e LPO sono emerse e sono rapidamente diventate due temi caldi nel settore dei moduli ottici; al giorno d'oggi, molti fornitori hanno accelerato lo sviluppo e la pianificazione delle tecnologie correlate, sperando di assumere un ruolo guida in questa ondata di rivoluzione tecnologica.

Che cos'è CPO?

CPO, o Co-Packaged Optics, è una tecnologia all'avanguardia che combina ottica e chip di switching. Elimina i consueti moduli ottici pluggable, avvicinando il motore ottico e il chip di switching. Questo, a sua volta, aumenta la velocità dei segnali elettrici tra di loro, migliorando le prestazioni complessive.Le soluzioni CPO sono più piccole e più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai moduli ottici tradizionali, rendendole una scelta eccellente.

Sviluppo della tecnologia CPO

Lo sviluppo della tecnologia CPO può essere suddiviso specificamente in due fasi:

Fase I: tecnologia Near-Package Optics (NPO)

Prima che la tecnologia CPO sia pienamente matura, la tecnologia NPO rappresenta un programma di transizione più pratico. Offre i vantaggi di costi ridotti e basso consumo energetico in un periodo relativamente breve ed è particolarmente adatta allo sviluppo e all'implementazione iniziali del sistema.

Fase II: tecnologia CPO

Questa è la forma più recente di tecnologia di commutazione fotonica al silicio, progettata per ridurre al minimo i costi di rete e il consumo energetico. Nella soluzione CPO, il motore ottico e il chip di commutazione sono integrati strettamente nello stesso modulo, il che migliora le prestazioni complessive del sistema e l'efficienza energetica.

In pratica, il motore ottico è principalmente responsabile della conversione ottica/elettrica nella rete di commutazione. La forma più comune è il modulo innestabile, ma stanno emergendo nuove forme di prodotto con la continua evoluzione della tecnologia. La forma CPO integra il chip di commutazione e il motore ottico in un unico slot, mentre l'NPO li colloca separatamente sulla stessa scheda di sistema. Sebbene entrambi utilizzino moduli optoelettronici, variano nel consumo energetico e nelle prestazioni di efficienza a causa delle differenze nella posizione del package e nella distanza di cablaggio.

Vantaggi del CPO

Immagina un'infrastruttura telecom high-tech in cui l'ottimizzazione dello spazio e l'efficienza energetica sono fondamentali per gestire l'aumento del traffico e delle velocità. Combinando la tecnologia CPO, possiamo ottenere comunicazioni più veloci e affidabili, creando al contempo spazio affinché le tecnologie di rete crescano in modo intelligente ed efficiente dal punto di vista energetico. Ecco i principali vantaggi del CPO:

Integrità del segnale migliorata

CPO migliora l'integrità del segnale riducendo la distanza di trasmissione dei segnali elettrici, il che significa che non sarà necessaria altrettanta compensazione del segnale. Questo progresso non solo aumenta la flessibilità della progettazione dei PCB, ma ottimizza anche le prestazioni complessive, offrendo maggiore libertà ed efficienza nella progettazione.

Design compatto, alta integrazione

La tecnologia CPO integra componenti fotonici ed elettronici nello stesso package; ciò riduce significativamente le dimensioni del sistema rispetto al metodo tradizionale di confezionare separatamente moduli ottici e chip elettronici. Questa compattezza è particolarmente importante nei circuiti integrati ad alta densità, dove ogni centimetro di spazio è critico.

Latenza ridotta

CPO è in grado di ridurre significativamente il consumo energetico e migliorare l'efficienza della tecnologia LPO convenzionale integrando elettronica e ottica mediante un processo CMOS. Poiché sia il modulo ottico sia il chip elettronico sono confezionati nello stesso frame, il percorso di trasmissione del segnale viene notevolmente accorciato, riducendo la latenza rispetto ai metodi di confezionamento separati.

Secondo il rapporto di LightCounting del dicembre 2022, la domanda di velocità di rete per HPC (high performance computing) è già oltre 10 volte superiore alla velocità attuale. Sullo sfondo di tale domanda, si prevede che CPO riduca del 50% il consumo energetico dell'architettura esistente dei moduli ottici pluggable, risolvendo efficacemente il problema della trasmissione di interconnessione ad alta velocità e ad alta densità. Nel frattempo, anche i fornitori nazionali stanno ricercando e sviluppando attivamente la tecnologia CPO per promuoverne il continuo progresso e la maturità.

Che cos'è LPO?

LPO (Linear Drive Pluggable Optics) si riferisce a una soluzione che impiega la tecnologia lineare a pilotaggio diretto nei moduli in fibra ottica. A differenza dei design tradizionali dei moduli ottici, LPO elimina componenti legacy comuni come DSP (Digital Signal Processors) e CDR (Clock Data Recovery), riducendo efficacemente il consumo energetico e la latenza del sistema. Questo design è ottimo perché è efficiente dal punto di vista energetico e offre buone prestazioni, ma presenta alcuni compromessi. Innanzitutto, non è il migliore nel correggere gli errori e non può arrivare lontano quanto altri sistemi. Quindi, la tecnologia LPO è migliore per le comunicazioni a breve distanza, come all'interno dei data center. È particolarmente valida quando serve essere super veloci e non è necessario che sia priva di errori al 100%.

I moduli ottici collegabili tradizionali di solito si affidano a chip DSP per elaborare segnali ad alta velocità al fine di garantire un basso BER, ma ciò comporta anche un maggiore consumo energetico. Nel caso di un modulo ottico 400G, ad esempio, il consumo energetico di un DSP a 7nm è di circa 4W, il che rappresenta quasi la metà del consumo energetico dell'intero modulo. Al contrario, LPO riduce il consumo energetico omettendo questi componenti aggiuntivi, ma a costo di una distanza di trasmissione e di una capacità di correzione degli errori ridotte.

Vantaggi degli LPO

Le Linear Drive Pluggable Optics (LPOs) offrono numerosi vantaggi nell'ambito delle interconnessioni ottiche, che le rendono ideali per migliorare la connettività dei data center e soddisfare le esigenze delle reti moderne. Di seguito sono riportati alcuni dei principali vantaggi della tecnologia LPO:

Hot Swap e manutenzione semplificata

A differenza di CPO, LPO mantiene il tradizionale design modulare dei componenti ottici, il che la rende una soluzione a bassa interferenza e facile da mantenere. Se un componente in un sistema CPO si guasta, di solito è necessario smontare l'intero switch, creando un problema di manutenzione. Tuttavia, LPO supporta la sostituzione a caldo, rendendo più conveniente sostituire i moduli guasti senza interrompere il funzionamento del sistema e riducendo al minimo i tempi di inattività.

Latenza ridotta

L'LPO rinuncia al tradizionale processore di segnale digitale (DSP), eliminando così la necessità di un complesso processo di riduzione del segnale. Questo design comporta un overhead di elaborazione del sistema molto inferiore, che riduce efficacemente la latenza. Ciò è particolarmente importante per situazioni che richiedono una latenza estremamente bassa, come la comunicazione inter-GPU nell'HPC.

Costo ridotto

Non facendo affidamento sui DSP, gli LPO riducono efficacemente il consumo energetico e i costi operativi complessivi.La tecnologia DSP è attualmente dominata da una manciata di aziende (ad es., Broadcom e Inphi), rendendola una competenza ad alto costo e con risorse limitate.La mancata dipendenza degli LPO dai DSP contribuisce a ridurre la necessità di queste risorse scarse, il che a sua volta apre opportunità di diversificazione nella supply chain e migliora la competitività di mercato.

L'elevato livello di interesse nello sviluppo e nell'applicazione della tecnologia LPO (Linearly Driven Pluggable Optics) da parte di tutti gli attori, dai produttori di chip a monte ai fornitori di switch fino agli utenti finali, suggerisce che le prospettive commerciali siano molto promettenti. All'OFC 2023, aziende leader del settore come Macom e Broadcom hanno presentato le loro soluzioni di pilotaggio lineare, sottolineando ulteriormente la tendenza di questa tecnologia. Nel frattempo, la soluzione di pilotaggio lineare introdotta da Arista è stata riconosciuta da importanti fornitori di switch, tra cui Innovium e NVIDIA, riflettendo il consenso del settore sull'immenso valore della tecnologia LPO nelle applicazioni di rete all'avanguardia.

CPO vs. LPO: quale tecnologia dominerà le interconnessioni ottiche dei data center?

La tecnologia LPO rappresenta una scelta strategica, pensata per scenari specifici come le applicazioni a corto raggio. Sebbene LPO rinunci a componenti legacy come DSP/CDR, il che può comportare un piccolo compromesso prestazionale in termini di BER, i vantaggi in termini di consumo energetico, costi e latenza che offre sono significativi. A differenza di CPO, LPO enfatizza l'efficienza e la riduzione dei costi in applicazioni specifiche e, pertanto, presenta punti di forza e debolezze peculiari.

Sebbene la tecnologia LPO sia emersa un po' più tardi rispetto a CPO, si prevede che diventerà più popolare sul mercato a un ritmo più rapido. Le differenze tra CPO e LPO sono mostrate nella tabella seguente:

Prospettive future e sfide del CPO

Il futuro mercato del CPO è promettente

La tecnologia CPO offre una nuova direzione per aumentare la densità delle interconnessioni ottiche e si prevede che sarà commercializzata per applicazioni superiori a 100T. Secondo LightCounting, le spedizioni CPO inizieranno con porte 800G e 1.6T e si prevede che saranno commercializzate tra il 2024 e il 2025. Dal 2026 al 2027, si prevede che le spedizioni CPO aumenteranno significativamente negli scenari di comunicazione dati a corto raggio per i provider di servizi cloud hyperscale, e si prevede che la domanda di mercato crescerà significativamente. CIR prevede che il mercato CPO raggiungerà $5.4 miliardi di ricavi totali entro il 2027.

Si prevede che il numero di porte CPO crescerà da 50,000 nel 2023 a 4.5 milioni nel 2027 in termini di vendite globali. Entro il 2027, si prevede che le porte CPO rappresenteranno quasi il 30 percento delle spedizioni nelle categorie 800G e 1.6T. Secondo un rapporto di Yole, il mercato CPO genererà ricavi di circa $38 milioni nel 2022, e si prevede che crescerà fino a $2.6 miliardi entro il 2033, con un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 46%.

Sfide per CPO

Sebbene la tecnologia CPO offra nuove prospettive per interconnessioni ottiche avanzate, deve ancora affrontare sfide in termini di maturità tecnologica, urgenza di adozione da parte del mercato e modelli di business. Questi problemi devono essere affrontati in modo efficace affinché CPO diventi una soluzione mainstream nell'ambito delle interconnessioni ottiche per data center.

Percorso tecnologico e maturità: la tecnologia degli oscillatori coerenti ad aggancio di fase (CPO) è ancora nelle prime fasi di sviluppo e il suo percorso tecnologico necessita di ulteriori perfezionamenti. Sebbene il futuro del CPO sia piuttosto promettente, non ha ancora raggiunto il livello di applicazione diffusa e ha ancora bisogno di tempo per accumulare più casi pratici ed esperienze. Al contrario, tradizionale moduli ottici collegabili dominano ancora il mercato e CPO potrebbe impiegare alcuni anni per sostituirli come soluzione mainstream.

Urgenza dell'adozione: nell'era dei moduli ottici 3.2T, i requisiti di fattore di forma e dimensioni per la tecnologia CPO erano elevati. Tuttavia, nell'attuale era 1.6T, i moduli ottici pluggable offrono ancora una soluzione mainstream matura e le loro configurazioni 8x200G soddisfano già le esigenze della maggior parte dei settori. L'attuale domanda di soluzioni CPO a velocità più elevata non è urgente, il che potrebbe rallentare la rapida diffusione dei CPO sul mercato.

Sfide del modello di business: l'implementazione della tecnologia CPO richiede una grande riserva di tecnologia fotonica al silicio, il che significa che il suo sviluppo dipenderà fortemente dalla capacità di R&D e di produzione della tecnologia pertinente. La dipendenza da produttori specifici può diventare un grande ostacolo all'applicazione diffusa della tecnologia CPO. Innanzitutto, la riserva di tecnologia fotonica al silicio e la complessità del processo produttivo hanno concentrato la produzione e la R&D di CPO nelle mani di pochi produttori. Questa dipendenza può portare all'emergere di un monopolio tecnologico nel mercato, che a sua volta influisce sulla competitività e sull'innovazione tecnologica di diversi fornitori. Inoltre, un eccessivo affidamento su un singolo fornitore può limitare lo sviluppo tecnologico, aumentare l'incertezza della catena di fornitura e influire sulla flessibilità e sulla libertà degli utenti finali nella scelta delle soluzioni CPO.

Sebbene la tecnologia CPO mostri un grande potenziale, deve ancora affrontare sfide riguardanti la maturità tecnologica, l'urgenza del mercato e la definizione di modelli di business pertinenti.

Prospettive e sfide dello sviluppo LPO

Progresso del settore LPO: parallelismi in patria e all'estero

La tecnologia LPO, una soluzione emergente di interconnessione ottica, dovrebbe raggiungere la produzione di massa entro la fine del 2024. Con la continua evoluzione di questa tecnologia, i principali fornitori globali hanno già lanciato prodotti correlati. Fornitori leader come Macom, Semtech e MaxLinear hanno compiuto progressi significativi nello sviluppo tecnologico, e Broadcom sta promuovendo attivamente la propria soluzione LPO. Gli esperti del settore ritengono che, con l'aumento della domanda di risorse di calcolo da parte dei fornitori di servizi cloud nordamericani, grandi aziende come Microsoft, Meta, AWS e Google adotteranno gradualmente soluzioni LPO per migliorare l'efficienza del trasferimento dei dati e ridurre la latenza.

Sfide per LPO

Sebbene LPO mostri un grande potenziale per le interconnessioni ottiche, vi sono ancora numerose sfide per il suo sviluppo. Affrontare questi problemi è fondamentale affinché la tecnologia LPO sia favorita sul mercato. Di seguito sono riportate alcune delle principali sfide che LPO probabilmente dovrà affrontare durante il suo sviluppo:

Requisiti di collaborazione: l'implementazione di LPO richiede una stretta collaborazione tra i fornitori LPO e i produttori di switch. I produttori di moduli ottici devono aggiornare la propria tecnologia e garantire uno stretto coordinamento tra le catene di fornitura a monte e a valle per promuovere la collaborazione e l'innovazione in tutto il settore.

Distanze di trasmissione brevi: gli LPO sono progettati per eliminare il componente DSP, il che rende il BER più elevato e limita la distanza a cui il segnale può essere trasmesso. Gli LPO potrebbero non essere stabili quanto i moduli ottici tradizionali durante la trasmissione su lunghe distanze. Inizialmente, gli LPO possono stabilire una connessione entro pochi metri fino a qualche decina di metri e, in futuro, la distanza di trasmissione potrebbe essere estesa fino a 500M. Per affrontare questo problema, è importante ottimizzare la distanza di trasmissione e rafforzare i meccanismi di correzione degli errori del sistema.

La standardizzazione è in una fase iniziale: il processo di standardizzazione di LPO è ancora in una fase iniziale e l'interoperabilità della tecnologia potrebbe incontrare alcune difficoltà. Attualmente, LPO è più applicabile a sistemi chiusi monofornitore. Se viene adottato un programma multifornitore e la capacità di integrazione interna è insufficiente, ciò può portare a incompatibilità del sistema e a problemi nella ripartizione delle responsabilità. In questo caso, le soluzioni tradizionali basate su DSP possono essere ancora più vantaggiose.

Limitazioni della progettazione del canale elettrico: gli LPO impongono requisiti più elevati alla progettazione del canale elettrico lato sistema. Attualmente, i SerDes utilizzano principalmente specifiche 112G e si prevede che verranno aggiornati a 224G in futuro; tuttavia, la tecnologia LPO potrebbe non essere in grado di soddisfare i requisiti di trasmissione dei prossimi SerDes 224G, il che potrebbe limitarne le prestazioni nelle future applicazioni di trasmissione dati su larga scala.

In conclusione, sebbene la tecnologia LPO abbia molte potenzialità e vantaggi, sono necessarie ulteriori innovazioni tecnologiche e una maggiore cooperazione di settore per superare le sfide sopra menzionate e realizzare applicazioni diffuse.

Conclusione

Sebbene Linear-drive Pluggable Optics (LPO) e Co-Packaged Optics (CPO) stiano emergendo come tendenze future nella tecnologia di interconnessione dei data center, i moduli ottici pluggable sono ancora la soluzione standard del settore. Poiché la domanda di prestazioni più elevate e minore latenza nel data center continua a crescere, fornitori come QSFPTEK hanno introdotto moduli Ethernet e InfiniBand pluggable 800G. Questi moduli sono in grado di fornire velocità di trasmissione dati fino a 800 Gigabit al secondo, offrendo un supporto di larghezza di banda critico per le applicazioni HPC. In futuro, con l'ulteriore evoluzione della tecnologia e l'adozione di nuove tecnologie da parte del settore, i CPO e gli LPO potrebbero gradualmente sostituire i moduli ottici pluggable esistenti, soprattutto nei data center hyperscale e nelle applicazioni di calcolo ad alte prestazioni.