Visão geral do transceptor XPO: qual é a diferença em relação ao CPO?

À medida que os módulos ópticos evoluíram de 100G para 400G, 800G e até em direção a 1.6T, a capacidade de largura de banda dos data centers aumentou continuamente. Por muito tempo, a ideia de que "aumentar a velocidade resolve o problema" funcionou. No entanto, à medida que as cargas de trabalho de treinamento de IA se expandem rapidamente, simplesmente depender apenas de aumentos de velocidade é insuficiente.

O gargalo atual não é mais apenas se a largura de banda de uma única porta é suficiente; ele se expandiu para todo o nível do sistema—densidade de portas, controle do consumo de energia, espaço para dissipação de calor e problemas subsequentes de manutenção estão surgindo simultaneamente e são mutuamente restritivos.

Nesse contexto, o setor está explorando novos caminhos de interconexão óptica. Por um lado, há soluções altamente integradas como CPO; por outro, há novos ajustes nas arquiteturas conectáveis. XPO (eXtra-dense Pluggable Optics) é uma direção que surgiu gradualmente sob essa abordagem.

A infraestrutura de IA está entrando em uma nova fase de restrições

À medida que os data centers se afastam lentamente das configurações tradicionais de nuvem e adotam sistemas de computação massivos e focados em IA, o papel da rede também está mudando. Ela é mais do que apenas uma forma de mover dados — é uma parte vital da infraestrutura que afeta diretamente a qualidade do treinamento e a eficiência com que os recursos são usados.

Normalmente, aumentar as velocidades das portas de 400G para 800G e depois para 1.6T não é suficiente para atender às necessidades dos sistemas do mundo real. O principal problema é passar de "largura de banda de porta única" para questões mais complexas em nível de sistema.

A pressão sobre a largura de banda está mudando de um único ponto para um ponto global

Durante o treinamento de modelos grandes, inúmeras GPUs ou placas aceleradoras precisam sincronizar continuamente parâmetros e gradientes, resultando em frequências extremamente altas de troca de dados entre nós. À medida que o tamanho do modelo aumenta, o tráfego de rede cresce significativamente mais rápido do que o aumento da velocidade de uma única porta.

Embora as velocidades de interface continuem aumentando, a densidade de largura de banda da rede ainda pode limitar facilmente a eficiência do treinamento, especialmente em cenários de treinamento paralelo com vários nós.

Problemas de confiabilidade são ampliados em implantações em larga escala

Em clusters de IA, o número de links de módulos ópticos pode facilmente chegar a dezenas de milhares, ou até mais. Se a escala aumentar, mesmo que cada link não falhe com muita frequência, provavelmente haverá alguns problemas. Será difícil evitar esses problemas completamente.

Nesse tipo de ambiente, se um link falhar, isso afetará mais do que apenas uma área local. Você pode pausar, reprogramar ou cancelar tarefas de treinamento usando todos os recursos de computação. A confiabilidade da rede é mais do que apenas um recurso visual. A empresa precisa funcionar sem problemas.

Os sistemas de resfriamento estão migrando para arquiteturas de resfriamento líquido.

À medida que o consumo de energia dos chips de computação de IA continua a aumentar, as soluções tradicionais de resfriamento a ar estão se aproximando de seus limites, e o resfriamento líquido está se tornando a abordagem predominante para data centers de alta densidade.

Isso também impõe novas restrições aos dispositivos de interconexão óptica: não apenas o desempenho do sinal deve ser garantido, mas o projeto estrutural, a seleção de materiais e o projeto térmico também devem ser adaptados a ambientes de resfriamento líquido para suportar implantações em nível de rack de maior densidade.

A eficiência energética tornou-se um dos principais indicadores do design de redes

Em clusters de IA de alta densidade, os recursos de energia precisam ser redistribuídos entre computação e rede. À medida que a escala do sistema aumenta, o consumo de energia no lado da rede não pode ser ignorado.

Como resultado, "energia por bit" surgiu como uma métrica fundamental para avaliar soluções de interconexão óptica, impactando diretamente os custos operacionais gerais e o limite superior da eficiência energética do sistema.

Densidade de portas físicas se aproximando dos limites de engenharia

Os formatos atuais de módulos ópticos plugáveis convencionais (como OSFP) estão se aproximando dos limites de densidade física à medida que a largura de banda aumenta. Quando a largura de banda do chip continua a crescer enquanto a densidade de portas não consegue aumentar simultaneamente, a arquitetura de rede precisa adicionar camadas, resultando em maior latência e designs mais complexos.

O que é XPO (eXtra-dense Pluggable Optics)?

Com a aproximação da OFC 2026, a Arista Networks, em colaboração com vários fabricantes de módulos ópticos, propôs o conceito de XPO (eXtra-dense Pluggable Optics). XPO pode ser entendido como uma solução de interconexão óptica plugável de alta densidade para data centers de IA de próxima geração. Seu objetivo principal é melhorar ainda mais a densidade de largura de banda e as capacidades de dissipação de calor sem sacrificar as vantagens operacionais dos módulos plugáveis, para se adaptar a ambientes de computação de alta potência.

XPO é mais do que apenas um "upgrade de velocidade". É uma reconstrução completa da estrutura, da fonte de alimentação e dos métodos de dissipação de calor, tudo focado em atender às necessidades da implantação de IA em nível de rack.

Principais Especificações e Capacidades do XPO

Do ponto de vista do design, o XPO claramente se afastou do caminho tradicional de evolução do OSFP, inclinando-se mais para uma "unidade de interconexão óptica em nível de sistema":

Todos esses fatores apontam para a mesma realidade: XPO é mais do que apenas um módulo óptico; é um componente de interconexão de computação de alta densidade.

A mudança em comparação com OSFP é mais do que apenas "dobrar"

Se usarmos tradicional soluções OSFP Como referência, XPO representa um avanço significativo em múltiplas dimensões: a largura de banda de um único módulo é aumentada em aproximadamente 8 vezes, a densidade do painel é aumentada em aproximadamente 4 vezes, e é a primeira vez que uma solução completa de resfriamento líquido foi introduzida em um formato plugável padrão.

A mudança mais crucial não está nos números em si, mas na mudança da lógica de design—de "aumentar a velocidade de porta única" para "redefinir o fator de forma das interconexões ópticas em torno do consumo de energia e da densidade no nível do rack." Sob essa abordagem, XPO é mais como uma unidade fundamental de interconexão, redesenhada para os cenários de consumo de energia ultra-alto da IA.

Design inovador central do XPO: 

Arquitetura de empilhamento duplo de PCB "Belly-to-Belly"

A mudança mais significativa na estrutura de hardware do XPO é a substituição do design tradicional de PCB única por um "empilhamento de PCB dupla". Duas PCBs de 32 canais são dispostas firmemente costas com costas, redefinindo as áreas quentes e funcionais no nível do sistema.

Essa estrutura coloca componentes que geram muito calor (como circuitos transmissores e módulos de driver de laser) na "zona quente" interna, e coloca componentes de menor potência (como receptores e lógica de controle) na "zona fria" externa. A ideia principal desse método é reduzir o caminho que o calor precisa percorrer, o que permite que o calor entre no sistema de resfriamento mais rapidamente e melhora a eficiência com que o calor é removido.

À medida que mais canais são colocados em um único módulo, o aspecto mecânico se torna mais exigente. Há muitos lugares para colocar os dedos, então é preciso mais esforço para conectar e desconectar. Com o tempo, isso pode tornar a manutenção de rotina um pouco mais tediosa, especialmente em configurações complexas.

Resfriamento líquido em nível de módulo: integrado diretamente ao módulo óptico

XPO agora inclui resfriamento líquido como parte do módulo. A placa fria fica entre duas PCBs. Isso permite que o calor de ambas as camadas seja removido em conjunto por um caminho mais curto e direto. Isso significa que você não precisa usar ar externo ou dutos para mover o ar, então é possível dissipar o calor exatamente onde ele é gerado.

Na prática, este design pode lidar com TDPs de 400W ou mais. Quando a temperatura do líquido de arrefecimento está em torno de 40–45°C, a temperatura geral geralmente é 20 a 25°C menor do que nas soluções tradicionais de resfriamento a ar.

Os conectores são conexões rápidas de encaixe cego com design à prova de vazamentos, capazes de suportar aproximadamente 500 inserções e remoções repetidas. O interior da placa fria não é apenas uma simples peça de metal; ele incorpora canais de fluxo que percorrem áreas de calor concentrado. A estrutura é simples, com uma única entrada e uma única saída. A abordagem geral se parece mais com uma solução de placa fria para GPU do que com um sistema tradicional de resfriamento de módulo "externo", e se assemelha a um projeto em nível de sistema.

Arquitetura elétrica e fonte de alimentação de 50V

Nos níveis de sinal e fonte de alimentação, o XPO também foi redesenhado. Sua arquitetura elétrica suporta 64 canais elétricos de alta velocidade, cada um a 200Gbps PAM4, alcançando uma largura de banda total de 12,8Tbps, e está planejada para evoluir para canais de 400Gbps para alcançar uma capacidade de 25,6Tbps.

Vários recursos importantes do projeto elétrico são:

Primeiro, layout de canais otimizado: os sinais Tx e Rx são posicionados em lados opostos da paddle card para reduzir a diafonia e melhorar a integridade do sinal, tornando-o mais adequado para cenários de arquitetura de acionamento linear (LPO).

Em segundo lugar, as seções de alimentação e controle são projetadas separadamente. Os sinais de controle de baixa velocidade (como I2C/I3C, reset e sinais de alarme) usam um conector central separado. Esse conector é fisicamente separado do canal de dados de alta velocidade. Isso reduz a interferência elétrica, melhora a estabilidade dos sinais de controle e impede que links de alta velocidade os afetem.

Mais importante, a arquitetura da fonte de alimentação foi atualizada. O XPO usa entrada CC de 46–53V (normalmente em torno de 48V/50V), diretamente da fonte de alimentação de barramento no nível do rack. Em comparação com os módulos tradicionais de 3.3V, isso reduz significativamente os requisitos de corrente, reduzindo assim as perdas na linha e o tamanho do conector, além de melhorar a eficiência geral da fonte de alimentação. Esse projeto também se alinha melhor com a tendência futura de alimentação CC de alta tensão em data centers.

O impacto real do XPO na arquitetura de data centers

A importância do XPO vai além de tornar individual módulos ópticos ou dispositivos de switching melhores. Isso afeta diretamente o design de todo o data center. Quando um único módulo gera grandes melhorias em largura de banda, consumo de energia e dissipação de calor, essa mudança se acumula camada por camada ao longo da hierarquia da rede. No fim, isso afeta a capacidade geral do sistema, como ele é usado e a estrutura geral de custos.

Do ponto de vista do design de sistemas, por exemplo, para construir uma rede com uma capacidade total de comutação de 204.8 Tbps, o espaço em rack exigido pela solução XPO é apenas cerca de um quarto daquele da solução OSFP tradicional, correspondendo a um aumento de aproximadamente quatro vezes na densidade de largura de banda. Isso significa que, dentro do mesmo espaço físico, os dispositivos de rede podem suportar maior throughput, fornecendo assim suporte de infraestrutura mais compacto para treinamento de IA e computação de alto desempenho.

Em um ambiente típico de rack refrigerado a líquido ORv3 (HPR), a diferença entre as duas soluções também é muito significativa. O consumo de energia de um único rack em uma arquitetura OSFP tradicional é de aproximadamente 32 kW. Em comparação, a solução XPO pode aumentar isso para aproximadamente 128 kW, mais próxima da faixa de densidade de potência de 120 kW ou mais, normalmente planejada para sistemas refrigerados a líquido. Em implantações práticas, a solução OSFP frequentemente não consegue aproveitar plenamente os recursos da infraestrutura refrigerada a líquido. Em contraste, a XPO alcança uma melhor correspondência entre o consumo de energia e a capacidade de dissipação de calor, permitindo um uso mais completo dos recursos de energia e refrigeração e, assim, melhorando o desempenho geral do TCO.

Em resumo, o XPO pode fornecer cerca de quatro vezes mais capacidade de rede na mesma quantidade de espaço. Essa melhoria vai além da simples economia de espaço; ela também afeta o custo de implantação de um data center, o tempo para implantá-lo e a complexidade de operá-lo.

Em cenários de IA em hiperescala, essa vantagem é ainda mais forte. Por exemplo, um data center de IA de nível 400MW com cerca de 128.000 XPUs usando uma topologia Clos de três camadas exige cerca de 12,8Tbps de largura de banda scale-up e 1,6Tbps de largura de banda scale-out. Em uma arquitetura OSFP tradicional, a capacidade de comutação por rack é de cerca de 1,64 Pbps. No entanto, a arquitetura XPO pode atingir cerca de 6,55 Pbps, reduzindo o número de racks em cerca de 75%.

Essa redução no número de racks reduz a demanda por infraestrutura, como fonte de alimentação, resfriamento e cabeamento. Como resultado, os custos gerais de construção são significativamente reduzidos. O XPO também pode ser usado em ambientes de data center existentes para aumentar a densidade de implantação de aceleradores sem exigir espaço físico adicional, melhorando assim o uso dos recursos existentes.

A principal diferença entre XPO e CPO

Hoje, há duas maneiras principais de conectar dispositivos ópticos: XPO e CPO. XPO se concentra em "integração profunda", o que significa que os dispositivos são totalmente conectados. Por outro lado, CPO se concentra em aproveitar ao máximo o espaço disponível, o que é importante para dispositivos que podem ser conectados.

CPO: integração extrema para desempenho máximo

A Co-packaged Optics integra diretamente o mecanismo óptico e o chip de comutação. Isso resulta em um caminho de sinal mais curto, menores perdas e maior eficiência energética. Em teoria, esse projeto pode oferecer maior densidade de largura de banda e menor consumo de energia, mostrando um caminho de evolução de longo prazo.

Mas também há algumas questões a considerar. Os componentes ópticos e o chip de comutação estão estreitamente conectados. Se o módulo óptico ou suas peças não funcionarem corretamente, o trabalho pode ficar bastante complicado. Muitas vezes, isso significa fazer alterações em todo o dispositivo ou até mesmo em todo o sistema. Isso pode levar a custos mais altos e a manutenção e substituição mais complicadas.

CPO também exige níveis extremamente altos de maturidade no processo de fabricação e na cadeia de suprimentos. No momento, não está claro se está pronto para uso comercial em larga escala, por isso é difícil dizer com que rapidez será adotado.

XPO: Otimização de engenharia em uma arquitetura plugável

XPO é diferente de CPO porque não deixa de usar a arquitetura plugável. Em vez disso, faz melhorias no sistema atual. XPO se aproxima do desempenho de CPO aumentando a densidade de canais, adicionando resfriamento líquido e melhorando a fonte de alimentação. Ele também mantém a mesma substituibilidade modular.

Este projeto alcança um equilíbrio mais realista entre capacidade de manutenção, flexibilidade de atualização e custos de implantação, tornando-o mais adequado às necessidades de implementação de engenharia dos data centers de grande escala atuais.

Diferenças na escolha sob uma perspectiva de engenharia

CPO se concentra mais em metas técnicas de longo prazo, como desempenho extremo e mudanças futuras. Mas ainda enfrenta dificuldades para ser usado no curto prazo. XPO, por outro lado, é uma escolha mais prática. Ele equilibra a realização de melhorias e a manutenção da simplicidade, facilitando o uso em escala pelos fornecedores de nuvem.

Por esse motivo, em ambientes de data centers em nuvem que enfatizam estabilidade e manutenibilidade, soluções plugáveis continuam sendo altamente atraentes.

Resumo

De modo geral, XPO e CPO não são substitutos simples; em vez disso, é mais provável que coexistam em diferentes cenários de aplicação no longo prazo. CPO representa o limite superior de longo prazo da arquitetura, enquanto XPO representa um caminho evolutivo mais rápido dentro do ecossistema industrial existente. A forma futura das redes de data centers dependerá em grande parte do equilíbrio contínuo entre "limites de desempenho" e "viabilidade de engenharia".