Panoramica del transceiver XPO: qual è la differenza rispetto a CPO?

Con l'evoluzione dei moduli ottici da 100G a 400G, 800G e persino verso 1.6T, la capacità di larghezza di banda dei data center è aumentata continuamente. Per molto tempo, l'idea che "aumentare la velocità risolve il problema" ha funzionato. Tuttavia, con la rapida espansione dei carichi di lavoro di training dell'AI, affidarsi semplicemente ai soli aumenti di velocità non è sufficiente.

L'attuale collo di bottiglia non è più soltanto se la larghezza di banda di una singola porta sia sufficiente; si è esteso all'intero livello di sistema—densità delle porte, controllo del consumo energetico, spazio per la dissipazione del calore e problemi di manutenzione successiva stanno emergendo simultaneamente e si limitano reciprocamente.

In questo contesto, il settore sta esplorando nuovi percorsi di interconnessione ottica. Da un lato, ci sono soluzioni altamente integrate come CPO; dall'altro, ci sono nuovi adattamenti alle architetture pluggable. XPO (eXtra-dense Pluggable Optics) è una direzione che è gradualmente emersa nell'ambito di questo approccio.

L'infrastruttura AI sta entrando in una nuova fase di vincoli

Man mano che i data center si allontanano lentamente dalle configurazioni cloud tradizionali e adottano sistemi di calcolo massicci, focalizzati sull'AI, anche il ruolo della rete sta cambiando. È più di un semplice modo per spostare i dati — è una parte vitale dell'infrastruttura che influisce direttamente sull'efficacia con cui le persone possono eseguire l'addestramento e sull'efficienza con cui utilizzano le risorse.

Di solito, aumentare le velocità delle porte da 400G a 800G, poi a 1.6T, non è sufficiente per soddisfare le esigenze dei sistemi reali. Il problema principale è passare dalla "larghezza di banda a porta singola" a questioni più complesse a livello di sistema.

La pressione sulla larghezza di banda si sta spostando da un singolo punto a un ambito globale

Durante l'addestramento di modelli di grandi dimensioni, numerose GPU o schede acceleratrici devono sincronizzare continuamente parametri e gradienti, generando frequenze di scambio dati estremamente elevate tra i nodi. Con l'aumentare delle dimensioni del modello, il traffico di rete cresce in modo significativamente più rapido rispetto all'aumento della velocità di una singola porta.

Anche se le velocità delle interfacce continuano ad aumentare, la densità della larghezza di banda di rete può comunque limitare facilmente l'efficienza dell'addestramento, soprattutto negli scenari di addestramento parallelo multi-nodo.

I problemi di affidabilità sono amplificati nelle implementazioni su larga scala

Nei cluster AI, il numero di collegamenti dei moduli ottici può facilmente raggiungere decine di migliaia, o persino di più. Se la scala aumenta, anche se ogni collegamento non si guasta molto spesso, probabilmente si verificheranno alcuni problemi. Sarà difficile evitare completamente questi problemi.

In questo tipo di ambiente, se un collegamento si guasta, l'impatto va oltre la sola area locale. È possibile mettere in pausa, riprogrammare o annullare le attività di addestramento utilizzando tutte le risorse di calcolo. L'affidabilità della rete è più di una semplice caratteristica visiva. L'attività aziendale deve funzionare senza intoppi.

I sistemi di raffreddamento si stanno orientando verso architetture di raffreddamento a liquido.

Poiché il consumo energetico dei chip di calcolo per l'AI continua ad aumentare, le soluzioni tradizionali di raffreddamento ad aria si stanno avvicinando ai loro limiti e il raffreddamento a liquido sta diventando l'approccio dominante per i data center ad alta densità.

Ciò impone anche nuovi vincoli ai dispositivi di interconnessione ottica: non solo devono essere garantite le prestazioni del segnale, ma anche la progettazione strutturale, la selezione dei materiali e la progettazione termica devono essere adattate agli ambienti con raffreddamento a liquido per supportare implementazioni a livello di rack a densità più elevata.

L'efficienza energetica è diventata uno degli indicatori principali della progettazione di rete

Nei cluster AI ad alta densità, le risorse energetiche devono essere ridistribuite tra elaborazione e networking. Con l’aumentare della scala del sistema, il consumo energetico lato rete non può essere ignorato.

Di conseguenza, "potenza per bit" è emerso come una metrica fondamentale per valutare le soluzioni di interconnessione ottica, incidendo direttamente sui costi operativi complessivi e sul limite massimo dell'efficienza energetica del sistema.

Densità delle porte fisiche prossima ai limiti ingegneristici

Gli attuali fattori di forma dei moduli ottici collegabili tradizionali (come OSFP) si stanno avvicinando ai limiti di densità fisica con l'aumento della larghezza di banda. Quando la larghezza di banda del chip continua a crescere mentre la densità delle porte non può aumentare simultaneamente, l'architettura di rete deve aggiungere livelli, con conseguente maggiore latenza e progetti più complessi.

Che cos'è XPO (eXtra-dense Pluggable Optics)?

Con l'avvicinarsi di OFC 2026, Arista Networks, in collaborazione con diversi produttori di moduli ottici, ha proposto il concetto di XPO (eXtra-dense Pluggable Optics). XPO può essere inteso come una soluzione di interconnessione ottica pluggable ad alta densità per data center AI di nuova generazione. Il suo obiettivo principale è migliorare ulteriormente la densità di banda e le capacità di dissipazione del calore senza sacrificare i vantaggi operativi dei moduli pluggable, per adattarsi ad ambienti di calcolo ad alta potenza.

XPO è più di un semplice "upgrade di velocità". È una ricostruzione completa della struttura, dell'alimentazione e dei metodi di dissipazione del calore, interamente focalizzata sul soddisfare le esigenze dell'implementazione a livello di rack AI.

Specifiche e capacità chiave di XPO

Dal punto di vista della progettazione, XPO si è chiaramente allontanato dal tradizionale percorso evolutivo OSFP, orientandosi maggiormente verso un'"unità di interconnessione ottica a livello di sistema":

Tutti questi fattori indicano la stessa realtà: XPO è più di un semplice modulo ottico; è un componente di interconnessione per computing ad alta densità.

Il cambiamento rispetto a OSFP è molto più di un semplice "raddoppio"

Se utilizziamo tradizionale Soluzioni OSFP come riferimento, XPO rappresenta un significativo balzo in avanti in molteplici dimensioni: la larghezza di banda del singolo modulo aumenta di circa 8 volte, la densità del pannello aumenta di circa 4 volte ed è la prima volta che una soluzione completa di raffreddamento a liquido viene introdotta in un formato standard collegabile.

Il cambiamento più cruciale non risiede nei numeri in sé, ma nel cambiamento della logica di progettazione—da "aumentare la velocità della singola porta" a "ridefinire il fattore di forma degli interconnessioni ottiche in funzione del consumo energetico e della densità a livello di rack." Con questo approccio, XPO è più simile a un'unità di interconnessione fondamentale, riprogettata per gli scenari di consumo energetico ultra-elevato dell'AI.

Design innovativo principale di XPO: 

Architettura di impilamento a doppio PCB "Belly-to-Belly"

Il cambiamento più significativo nella struttura hardware di XPO è la sostituzione del tradizionale design a PCB singolo con un "impilamento a doppio PCB". Due PCB a 32 canali sono disposti strettamente dorso a dorso, ridefinendo le aree termiche e funzionali a livello di sistema.

Questa struttura colloca i componenti che generano molto calore (come i circuiti trasmettitori e i moduli driver laser) nella "zona calda" interna, e colloca i componenti a bassa potenza (come i ricevitori e la logica di controllo) nella "zona fredda" esterna. L'idea principale di questo metodo è ridurre il percorso che il calore deve compiere, consentendo al calore di entrare più rapidamente nel sistema di raffreddamento e migliorando l'efficienza con cui viene rimosso.

Man mano che più canali vengono inseriti in un singolo modulo, l'aspetto meccanico diventa più impegnativo. Ci sono molti punti in cui mettere le dita, quindi collegare e scollegare richiede più sforzo. Nel tempo, questo può rendere la manutenzione ordinaria un po' più noiosa, soprattutto in configurazioni complesse.

Raffreddamento a liquido a livello di modulo: integrato direttamente nel modulo ottico

XPO ora include il raffreddamento a liquido come parte del modulo. La piastra fredda è inserita tra due PCB. Questo consente di rimuovere insieme il calore da entrambi gli strati tramite un percorso più breve e diretto. Ciò significa che non è necessario utilizzare aria esterna o condotti per spostare l'aria, quindi è possibile eliminare il calore proprio nel punto in cui si genera.

In pratica, questo design può gestire TDP di 400W o superiori. Quando la temperatura del liquido di raffreddamento è intorno a 40–45°C, la temperatura complessiva è solitamente da 20 a 25°C inferiore rispetto alle soluzioni tradizionali di raffreddamento ad aria.

I connettori sono raccordi rapidi a innesto cieco con un design a prova di perdite, in grado di resistere a circa 500 inserimenti e rimozioni ripetute. L'interno della cold plate non è solo un semplice pezzo di metallo; incorpora canali di flusso che corrono lungo le aree di calore concentrato. La struttura è semplice, con un singolo ingresso e una singola uscita. L'approccio complessivo è più simile a una soluzione cold plate per GPU che a un tradizionale sistema di raffreddamento a modulo "esterno", e assomiglia a una progettazione a livello di sistema.

Architettura elettrica e alimentazione 50V

Anche a livello di segnale e alimentazione, XPO è stato riprogettato. La sua architettura elettrica supporta 64 canali elettrici ad alta velocità, ciascuno a 200Gbps PAM4, raggiungendo una larghezza di banda totale di 12.8Tbps, ed è progettata per evolvere verso canali da 400Gbps per raggiungere una capacità di 25.6Tbps.

Diverse caratteristiche chiave della progettazione elettrica sono:

Innanzitutto, layout dei canali ottimizzato: i segnali Tx e Rx sono posizionati sui lati opposti della paddle card per ridurre la diafonia e migliorare l'integrità del segnale, rendendolo più adatto agli scenari di architettura linear drive (LPO).

In secondo luogo, le sezioni di alimentazione e controllo sono progettate separatamente. I segnali di controllo a bassa velocità (come I2C/I3C, reset e segnali di allarme) utilizzano un connettore centrale separato. Questo connettore è fisicamente separato dal canale dati ad alta velocità. Ciò riduce le interferenze elettriche, migliora la stabilità dei segnali di controllo e impedisce ai collegamenti ad alta velocità di influenzarli.

Ancora più importante, l'architettura di alimentazione è stata aggiornata. XPO utilizza un ingresso DC a 46–53V (tipicamente intorno a 48V/50V), direttamente dall'alimentazione bus a livello di rack. Rispetto ai moduli tradizionali da 3.3V, ciò riduce significativamente i requisiti di corrente, riducendo così le perdite di linea e le dimensioni dei connettori e migliorando l'efficienza complessiva dell'alimentazione. Questo design si allinea inoltre meglio alla tendenza futura dell'alimentazione DC ad alta tensione nei data center.

L'impatto effettivo di XPO sull'architettura dei data center

L'importanza di XPO va oltre il rendere individuale moduli ottici o i dispositivi di switching migliori. Influisce direttamente sulla progettazione dell'intero data center. Quando un singolo modulo apporta grandi miglioramenti in termini di larghezza di banda, consumo energetico e dissipazione del calore, questo cambiamento si accumula strato dopo strato lungo la gerarchia di rete. Alla fine, ciò influisce sulla capacità complessiva del sistema, sul modo in cui viene utilizzato e sulla struttura complessiva dei costi.

Dal punto di vista della progettazione del sistema, ad esempio, per costruire una rete con una capacità di commutazione totale di 204.8 Tbps, lo spazio rack richiesto dalla soluzione XPO è solo circa un quarto di quello della soluzione OSFP tradizionale, corrispondente a un aumento di circa quattro volte della densità di larghezza di banda. Ciò significa che, all'interno dello stesso spazio fisico, i dispositivi di rete possono supportare un throughput più elevato, fornendo così un supporto infrastrutturale più compatto per l'addestramento AI e il calcolo ad alte prestazioni.

In un tipico ambiente rack ORv3 (HPR) raffreddato a liquido, la differenza tra le due soluzioni è anch'essa molto significativa. Il consumo energetico di un singolo rack in un'architettura OSFP tradizionale è di circa 32 kW. In confronto, la soluzione XPO può aumentarlo a circa 128 kW, più vicino all'intervallo di densità di potenza di 120 kW e oltre tipicamente pianificato per i sistemi raffreddati a liquido. Nelle implementazioni pratiche, la soluzione OSFP spesso non riesce a sfruttare appieno le capacità dell'infrastruttura raffreddata a liquido. Al contrario, XPO raggiunge una migliore corrispondenza tra consumo energetico e capacità di dissipazione del calore, consentendo un uso più completo delle risorse energetiche e di raffreddamento e migliorando così le prestazioni complessive del TCO.

In breve, XPO può fornire circa quattro volte più capacità di rete nello stesso spazio. Questo miglioramento non si limita a far risparmiare spazio; influisce anche sui costi di allestimento di un data center, sui tempi di implementazione e sulla complessità della sua gestione.

Negli scenari di AI hyperscale, questo vantaggio è ancora più forte. Ad esempio, un data center AI di livello 400MW con circa 128,000 XPU che utilizza una topologia Clos a tre livelli richiede circa 12.8Tbps di larghezza di banda scale-up e 1.6Tbps di larghezza di banda scale-out. In un'architettura OSFP tradizionale, la capacità di switching per rack è di circa 1.64 Pbps. Tuttavia, l'architettura XPO può raggiungere circa 6.55 Pbps, riducendo il numero di rack di circa il 75%.

Questa riduzione dei rack riduce la domanda di infrastrutture come alimentazione, raffreddamento e cablaggio. Di conseguenza, i costi complessivi di costruzione si abbassano significativamente. XPO può essere utilizzato anche negli ambienti di data center esistenti per aumentare la densità di implementazione degli acceleratori senza richiedere ulteriore spazio fisico, migliorando così l'utilizzo delle risorse esistenti.

La differenza fondamentale tra XPO e CPO

Oggi esistono due modi principali per collegare i dispositivi ottici: XPO e CPO. XPO si concentra sull'"integrazione profonda", il che significa che i dispositivi sono completamente connessi. D'altra parte, CPO si concentra sullo sfruttare al massimo lo spazio disponibile, il che è importante per i dispositivi che possono essere collegati.

CPO: integrazione estrema per prestazioni massime

La Co-packaged Optics integra direttamente il motore ottico e il chip di commutazione. Ne risultano un percorso del segnale più breve, perdite inferiori e una maggiore efficienza energetica. In teoria, questo design può offrire una maggiore densità di larghezza di banda e un consumo energetico inferiore, mostrando un percorso evolutivo a più lungo termine.

Ma ci sono anche alcuni problemi da considerare. I componenti ottici e il chip di commutazione sono strettamente collegati. Se il modulo ottico o le sue parti non funzionano correttamente, il lavoro può diventare piuttosto complicato. Molto spesso, questo significa apportare modifiche all'intero dispositivo o persino all'intero sistema. Questo può portare a costi più elevati e a una manutenzione e sostituzione più complicate.

CPO richiede inoltre livelli estremamente elevati di maturità del processo produttivo e della catena di fornitura. Al momento non è chiaro se sia pronta per un uso commerciale su larga scala, quindi è difficile dire quanto rapidamente verrà adottata.

XPO: ottimizzazione ingegneristica all'interno di un'architettura collegabile

XPO è diverso da CPO perché non smette di utilizzare l'architettura pluggable. Al contrario, apporta miglioramenti al sistema attuale. XPO si avvicina alle prestazioni di CPO aumentando la densità dei canali, aggiungendo il raffreddamento a liquido e migliorando l'alimentazione. Mantiene inoltre la stessa sostituibilità modulare.

Questo design raggiunge un equilibrio più realistico tra manutenibilità, flessibilità di aggiornamento e costi di implementazione, rendendolo più adatto alle esigenze di realizzazione ingegneristica degli attuali data center su larga scala.

Differenze nella scelta da una prospettiva ingegneristica

CPO si concentra maggiormente sugli obiettivi tecnici a lungo termine, come prestazioni estreme e cambiamenti futuri. Tuttavia, presenta ancora difficoltà nell'essere utilizzato nel breve termine. XPO, d'altra parte, è una scelta più pratica. Trova un equilibrio tra l'apportare miglioramenti e mantenere le cose semplici, rendendone più facile l'utilizzo su larga scala da parte dei fornitori cloud.

Per questo motivo, negli ambienti di data center cloud che enfatizzano stabilità e manutenibilità, le soluzioni innestabili rimangono molto interessanti.

Riepilogo

Nel complesso, XPO e CPO non sono semplici sostituti; piuttosto, è più probabile che coesistano a lungo termine in diversi scenari applicativi. CPO rappresenta il limite superiore a lungo termine dell'architettura, mentre XPO rappresenta un percorso evolutivo più rapido all'interno dell'ecosistema industriale esistente. La forma futura delle reti dei data center dipenderà in larga misura dal continuo compromesso tra "limiti prestazionali" e "fattibilità ingegneristica".