LPO vs. CPO: qual interconexão óptica de data center dominará a próxima geração?

Os data centers estão crescendo, e velocidade e eficiência se tornaram os elementos centrais de seu desenvolvimento. Nesse contexto, a concorrência na tecnologia de interconexão óptica entrou em uma fase extremamente intensa. Laser Phase-Locked Oscillator (LPO) e Coherent Phase-Locked Oscillator (CPO) tornaram-se as principais tecnologias nesse campo. Este artigo analisará em detalhes os diferentes recursos, vantagens e desafios dessas duas tecnologias para ajudar você a entender melhor seu papel fundamental na interconexão óptica de data centers.

A ascensão de CPO e LPO

O consumo de energia dos módulos ópticos tradicionais de 10Gb é de cerca de 1 W (módulo de cobre, cerca de 2 W). Ainda assim, com a introdução dos módulos ópticos 400G e 800G, o consumo de energia dispara rapidamente para 30 W. Pior ainda, quando o número de módulos ópticos chega a dezenas (por exemplo, 48 módulos, o consumo total de energia pode chegar a 48 × 30 = 1440 W), seu consumo de energia frequentemente representa 40% ou mais do consumo total de energia de todo o equipamento. O aumento repentino no consumo de energia dos dispositivos de comunicação óptica trouxe enorme pressão sobre os data centers, especialmente em termos de custos de energia. Tornou-se um problema que não pode ser ignorado. Portanto, como reduzir efetivamente o consumo de energia e economizar energia tornou-se um problema urgente no setor.

Por causa disso, as soluções CPO e LPO surgiram e rapidamente se tornaram dois temas em destaque no setor de módulos ópticos; atualmente, muitos fornecedores aceleraram o desenvolvimento e o planejamento de tecnologias relacionadas, esperando assumir a liderança nesta onda de revolução tecnológica.

O que é CPO?

CPO, ou Co-Packaged Optics, é uma tecnologia de ponta que combina óptica e chips de comutação. Ela elimina os módulos ópticos conectáveis usuais, aproximando o motor óptico e o chip de comutação. Isso, por sua vez, aumenta a velocidade dos sinais elétricos entre eles, melhorando o desempenho geral.As soluções CPO são menores e mais eficientes em termos de energia do que os módulos ópticos tradicionais, tornando-as uma ótima opção.

Desenvolvimento da tecnologia CPO

O desenvolvimento da tecnologia CPO pode ser dividido especificamente em duas etapas:

Fase I: Tecnologia de óptica próxima ao pacote (NPO)

Antes que a tecnologia CPO esteja totalmente madura, a tecnologia NPO é um programa de transição mais conveniente. Ela oferece as vantagens de baixo custo e baixo consumo de energia em um período relativamente curto e é particularmente adequada para o desenvolvimento e a implantação inicial de sistemas.

Fase II: Tecnologia CPO

Esta é a forma mais recente de tecnologia de comutação fotônica de silício, projetada para minimizar os custos de rede e o consumo de energia. Na solução CPO, o mecanismo óptico e o chip de comutação são compactamente encapsulados no mesmo módulo, o que melhora o desempenho geral do sistema e a eficiência energética.

Na prática, o mecanismo óptico é o principal responsável pela conversão óptica/elétrica na rede de comutação. A forma mais comum é o módulo conectável, mas novas formas de produto estão surgindo à medida que a tecnologia continua a evoluir. A forma CPO integra o chip de comutação e o mecanismo óptico em um único slot, enquanto o NPO os posiciona separadamente na mesma placa de sistema. Embora ambos utilizem módulos optoeletrônicos, eles variam em consumo de energia e desempenho de eficiência devido às diferenças no local de encapsulamento e na distância de cabeamento.

Benefícios do CPO

Imagine uma infraestrutura de telecomunicações de alta tecnologia, onde a otimização de espaço e a eficiência energética são essenciais para lidar com o aumento do tráfego e das velocidades. Ao combinar a tecnologia CPO, podemos alcançar comunicações mais rápidas e confiáveis, ao mesmo tempo em que criamos espaço para que as tecnologias de rede cresçam de forma inteligente e energeticamente eficiente. Aqui estão os principais benefícios do CPO:

Integridade de sinal aprimorada

CPO melhora a integridade do sinal ao reduzir a distância de transmissão dos sinais elétricos, o que significa que você não precisará de tanta compensação de sinal. Esse avanço não apenas aumenta a flexibilidade do design de PCB, mas também otimiza o desempenho geral, resultando em mais liberdade e eficiência no design.

Design compacto, alta integração

A tecnologia CPO integra componentes fotônicos e eletrônicos no mesmo encapsulamento; isso reduz significativamente o tamanho do sistema em comparação com o método tradicional de encapsular módulos ópticos e chips eletrônicos separadamente. Essa compactação é especialmente importante em circuitos integrados de alta densidade, onde cada centímetro de espaço é crítico.

Latência reduzida

O CPO é capaz de reduzir significativamente o consumo de energia e melhorar a eficiência da tecnologia LPO convencional ao integrar eletrônica e óptica usando um processo CMOS. Como tanto o módulo óptico quanto o chip eletrônico são encapsulados no mesmo quadro, o caminho de transmissão do sinal é significativamente encurtado, reduzindo a latência em comparação com métodos de encapsulamento separados.

De acordo com o relatório da LightCounting de dezembro de 2022, a demanda por taxas de rede para HPC (computação de alto desempenho) já é mais de 10 vezes maior do que a taxa atual. Diante desse cenário de demanda, espera-se que CPO reduza o consumo de energia da arquitetura existente de módulos ópticos conectáveis em 50%, resolvendo efetivamente o problema da transmissão de interconexão de alta velocidade e alta densidade. Enquanto isso, os fornecedores nacionais também estão pesquisando e desenvolvendo ativamente a tecnologia CPO para promover seu progresso contínuo e maturidade.

O que é LPO?

LPO (Linear Drive Pluggable Optics) refere-se a uma solução que emprega tecnologia linear de acionamento direto em módulos de fibra óptica. Diferentemente dos designs tradicionais de módulos ópticos, o LPO elimina componentes legados comuns, como DSPs (Digital Signal Processors) e CDRs (Clock Data Recovery), o que reduz efetivamente o consumo de energia e a latência do sistema. Esse design é ótimo porque é eficiente em termos de energia e apresenta bom desempenho, mas tem algumas compensações. Por um lado, não é o melhor para corrigir erros e não alcança distâncias tão longas quanto outros sistemas. Portanto, a tecnologia LPO é melhor para comunicação de curta distância, como dentro de data centers. Ela é especialmente boa quando você precisa de altíssima velocidade e não precisa que seja 100% livre de erros.

Os módulos ópticos plugáveis tradicionais geralmente dependem de chips DSP para processar sinais de alta velocidade a fim de garantir uma BER baixa, mas isso também traz maior consumo de energia. No caso de um módulo óptico 400G, por exemplo, o consumo de energia de um DSP de 7nm é de cerca de 4W, o que representa quase metade do consumo de energia de todo o módulo. Em contraste, LPO reduz o consumo de energia ao omitir esses componentes extras, mas ao custo de uma distância de transmissão reduzida e de uma capacidade de correção de erros menor.

Vantagens dos LPOs

Linear Drive Pluggable Optics (LPOs) oferecem uma série de vantagens no espaço de interconexão óptica que as tornam ideais para melhorar a conectividade de data centers e atender às demandas das redes modernas. Abaixo estão alguns dos principais benefícios da tecnologia LPO:

Hot Swap e manutenção simplificada

Ao contrário do CPO, o LPO mantém o design modular tradicional dos componentes ópticos, o que o torna uma solução de baixa interferência e fácil manutenção. Se um componente em um sistema CPO falhar, geralmente é necessário desmontar todo o switch, criando uma dificuldade de manutenção. No entanto, o LPO oferece suporte a hot-swapping, o que torna mais conveniente substituir módulos com falha sem interromper a operação do sistema, minimizando o tempo de inatividade.

Latência reduzida

O LPO dispensa o processador de sinal digital (DSP) tradicional, eliminando assim a necessidade de um processo complexo de redução de sinal. Esse design resulta em uma sobrecarga de processamento do sistema muito menor, o que reduz efetivamente a latência. Isso é especialmente importante para situações que exigem latência extremamente baixa, como a comunicação entre GPUs em HPC.

Custo reduzido

Ao não dependerem de DSPs, os LPOs reduzem efetivamente o consumo de energia e os custos operacionais gerais.A tecnologia DSP é atualmente dominada por um punhado de empresas (por exemplo, Broadcom e Inphi), tornando-a uma especialização de alto custo e com recursos limitados.A falta de dependência dos LPOs em relação aos DSPs ajuda a reduzir a necessidade desses recursos escassos, o que, por sua vez, abre oportunidades de diversificação na cadeia de suprimentos e melhora a competitividade no mercado.

O alto nível de interesse em desenvolver e aplicar a tecnologia LPO (Linearly Driven Pluggable Optics) por todas as partes, desde fabricantes de chips upstream até fornecedores de switches e usuários finais, sugere que as perspectivas de negócios são muito promissoras. Na OFC 2023, empresas líderes do setor, como Macom e Broadcom, apresentaram suas soluções de acionamento linear, enfatizando ainda mais a tendência dessa tecnologia. Enquanto isso, a solução de acionamento linear introduzida pela Arista foi reconhecida por fornecedores de switches proeminentes, incluindo Innovium e NVIDIA, refletindo o consenso do setor sobre o imenso valor da tecnologia LPO em aplicações de rede de ponta.

CPO vs. LPO: qual tecnologia dominará as interconexões ópticas de data center?

A tecnologia LPO representa uma escolha estratégica, adaptada para cenários específicos, como aplicações de curta distância. Embora a LPO dispense componentes legados, como DSP/CDR, o que pode representar uma pequena compensação de desempenho em termos de BER, as vantagens de energia, custo e latência que ela traz são significativas. Ao contrário da CPO, a LPO enfatiza a eficiência e a redução de custos em aplicações específicas e, portanto, tem pontos fortes e fracos únicos.

Embora a tecnologia LPO tenha surgido um pouco depois da CPO, espera-se que ela se torne mais popular no mercado em um ritmo mais rápido. As diferenças entre CPO e LPO são mostradas na tabela abaixo:

Perspectivas futuras e desafios do CPO

O mercado futuro de CPO é promissor

A tecnologia CPO oferece uma nova direção para aumentar a densidade das interconexões ópticas e espera-se que seja comercializada para aplicações acima de 100T. De acordo com a LightCounting, os embarques de CPO começarão com portas 800G e 1.6T e espera-se que sejam comercializados entre 2024 e 2025. De 2026 a 2027, espera-se que os embarques de CPO aumentem significativamente em cenários de comunicação de dados de curto alcance para provedores de serviços de nuvem em hiperescala, e espera-se que a demanda do mercado cresça significativamente. A CIR espera que o mercado de CPO alcance $5.4 bilhões em receita total até 2027.

Espera-se que o número de portas CPO cresça de 50,000 em 2023 para 4.5 milhões em 2027 em termos de vendas globais. Até 2027, espera-se que as portas CPO representem quase 30 por cento dos envios nas categorias 800G e 1.6T. De acordo com um relatório da Yole, o mercado de CPO gerará receitas de aproximadamente $38 milhões em 2022, e espera-se que isso cresça para $2.6 bilhões até 2033, com uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 46%.

Desafios para CPO

Embora a tecnologia CPO ofereça uma nova promessa para interconexões ópticas avançadas, ela ainda enfrenta desafios em termos de maturidade tecnológica, urgência de adoção pelo mercado e modelos de negócios. Essas questões devem ser abordadas de forma eficaz para que o CPO se torne uma solução convencional no espaço de interconexão óptica de data centers.

Caminho tecnológico e maturidade: A tecnologia de oscilador coerente com bloqueio de fase (CPO) ainda está nos estágios iniciais de desenvolvimento, e seu caminho tecnológico precisa de refinamento adicional. Embora o futuro do CPO seja bastante promissor, ele ainda não atingiu o nível de aplicação generalizada e ainda precisa de tempo para acumular mais casos práticos e experiências. Em contraste, tradicional módulos ópticos conectáveis ainda dominam o mercado, e o CPO pode levar alguns anos para substituí-los como a solução predominante.

Urgência da adoção: Na era dos módulos ópticos 3.2T, os requisitos de formato e tamanho para a tecnologia CPO eram altos. No entanto, na era atual de 1.6T, os módulos ópticos conectáveis ainda oferecem uma solução convencional madura, e suas configurações 8x200G já atendem às necessidades da maioria dos setores. A demanda atual por soluções CPO de maior velocidade não é urgente, o que pode desacelerar a rápida implementação dos CPOs no mercado.

Desafios do modelo de negócios: A implementação da tecnologia CPO requer uma grande reserva de tecnologia de fotônica de silício, o que significa que seu desenvolvimento dependerá fortemente da capacidade de P&D e produção da tecnologia relevante. A dependência de fabricantes específicos pode se tornar um grande obstáculo para a ampla aplicação da tecnologia CPO. Primeiro, a reserva de tecnologia de fotônica de silício e a complexidade do processo de fabricação concentraram a produção e a P&D de CPO nas mãos de poucos fabricantes. Essa dependência pode levar ao surgimento de um monopólio tecnológico no mercado, o que, por sua vez, afeta a competitividade e a inovação tecnológica de diferentes fornecedores. Além disso, a dependência excessiva de um único fornecedor pode limitar o desenvolvimento tecnológico, aumentar a incerteza da cadeia de suprimentos e afetar a flexibilidade e a liberdade dos usuários finais na escolha de soluções CPO.

Embora a tecnologia CPO demonstre grande potencial, ela ainda enfrenta desafios em relação à maturidade tecnológica, à urgência do mercado e ao estabelecimento de modelos de negócios relevantes.

Perspectivas e Desafios de Desenvolvimento de LPO

Progresso da indústria de LPO: paralelismo no país e no exterior

A tecnologia LPO, uma solução emergente de interconexão óptica, deve alcançar a produção em massa até o final de 2024. À medida que essa tecnologia continua a evoluir, os principais fornecedores globais já lançaram produtos relacionados. Fornecedores líderes como Macom, Semtech e MaxLinear fizeram avanços significativos no desenvolvimento tecnológico, e a Broadcom está promovendo ativamente sua própria solução LPO. Especialistas do setor acreditam que, à medida que aumenta a demanda por recursos de computação dos provedores de serviços de nuvem norte-americanos, grandes empresas como Microsoft, Meta, AWS e Google adotarão gradualmente soluções LPO para melhorar a eficiência da transferência de dados e reduzir a latência.

Desafios para LPO

Embora o LPO mostre grande potencial para interconexões ópticas, ainda há uma série de desafios para seu desenvolvimento. Abordar essas questões é indispensável para que a tecnologia LPO seja favorecida no mercado. A seguir estão alguns dos principais desafios que o LPO provavelmente enfrentará durante seu desenvolvimento:

Requisitos de colaboração: a implantação de LPO exige colaboração estreita entre fornecedores de LPO e fabricantes de switches. Os fabricantes de módulos ópticos devem atualizar sua tecnologia e garantir uma coordenação estreita entre as cadeias de suprimentos upstream e downstream para impulsionar a colaboração e a inovação em todo o setor.

Distâncias curtas de transmissão: os LPOs são projetados para eliminar o componente DSP, o que torna a BER mais alta e limita a distância pela qual o sinal pode ser transmitido. Os LPOs podem não ser tão estáveis quanto os módulos ópticos tradicionais ao transmitir por longas distâncias. Inicialmente, os LPOs podem estabelecer uma conexão de alguns metros a algumas dezenas de metros e, no futuro, a distância de transmissão poderá ser estendida para até 500 m. Para resolver esse problema, é importante otimizar a distância de transmissão e fortalecer os mecanismos de correção de erros do sistema.

A padronização está em um estágio inicial: O processo de padronização do LPO ainda está em um estágio inicial, e a interoperabilidade da tecnologia pode encontrar certas dificuldades. Atualmente, o LPO é mais aplicável a sistemas fechados de fornecedor único. Se um programa multifornecedor for adotado e a capacidade de integração interna for insuficiente, isso pode levar à incompatibilidade do sistema e a problemas na divisão de responsabilidades. Nesse caso, soluções tradicionais baseadas em DSP ainda podem ser mais vantajosas.

Limitações do projeto de canais elétricos: os LPOs impõem demandas mais altas ao projeto dos canais elétricos no lado do sistema. Atualmente, os SerDes usam principalmente especificações 112G e espera-se que sejam atualizados para 224G no futuro; no entanto, a tecnologia LPO talvez não consiga atender aos requisitos de transmissão dos futuros SerDes 224G, o que pode limitar seu desempenho nas futuras aplicações de transmissão de dados em larga escala.

Em conclusão, embora a tecnologia LPO tenha muitos potenciais e vantagens, são necessárias mais inovações tecnológicas e cooperação do setor para superar os desafios acima e concretizar aplicações amplas.

Conclusão

Embora a Óptica Conectável de Acionamento Linear (LPO) e a Óptica Coembalada (CPO) estejam surgindo como tendências futuras na tecnologia de interconexão de data centers, os módulos ópticos conectáveis ainda são a solução padrão do setor. À medida que a demanda por maior desempenho e menor latência no data center continua a crescer, fornecedores como QSFPTEK lançaram módulos Ethernet e InfiniBand conectáveis de 800G. Esses módulos são capazes de fornecer taxas de dados de até 800 Gigabits por segundo, oferecendo suporte crítico de largura de banda para aplicações de HPC. No futuro, à medida que a tecnologia evoluir ainda mais e o setor adotar novas tecnologias, os CPOs e LPOs poderão substituir gradualmente os módulos ópticos conectáveis existentes, especialmente em data centers de hiperescala e aplicações de computação de alto desempenho.