Как LPO преобразует трансиверы 800G?

С ростом требований к энергопотреблению при подключении трансиверов 800G существует ли решение, позволяющее снизить энергопотребление и стоимость без ущерба для гибкости? Linear Pluggable Optics (LPO) предлагает именно это. В этой статье рассматривается, как LPO преобразует оптические модули 800G, а также анализируются меняющиеся роли CPO и LPO в формировании будущего сетей центров обработки данных.

С какими проблемами сталкиваются традиционные модули 800G?

Модернизация технологий оптической связи — это не просто увеличение скорости, а компромисс между энергопотреблением и производительностью. Когда скорость сети увеличивается с 1G до 800G, сложность обработки сигналов увеличивается экспоненциально, что приводит к более высокому энергопотреблению, увеличению затрат и более строгим требованиям к отводу тепла.

Оптические модули, этот ключевой компонент, практически полностью определяет энергопотребление и производительность всего соединения центра обработки данных. Ранние оптические модули 10G потребляли всего около 1W, тогда как современные модули 800G потребляют почти 30W. Для работы коммутатору часто требуется совместная работа десятков оптических модулей, и общее энергопотребление может легко превышать киловатты, причем на оптические модули обычно приходится более 40% общего энергопотребления. Это означает, что каждое увеличение скорости передачи данных повышает порог энергопотребления центров обработки данных.

Поэтому в условиях стремления к повышению энергоэффективности, снижению затрат и упрощению системной конструкции отрасль разработала более легкое решение: технологию LPO.

Обзор трансиверов LPO

Что такое технология упаковки LPO?

Модуль LPO, или модуль линейной подключаемой оптики, представляет собой тип оптического модуля для центров обработки данных, который снижает энергопотребление и задержку за счет удаления DSP или CDR. Вместо сложного DSP в модулях LPO используются усилители с высокой линейностью Trans-Impedance Amplifiers (TIA) и драйверы, а также применяются возможности эквализации, встроенные в ASIC сетевого оборудования узла. Благодаря этому модули LPO являются экономичным и энергоэффективным решением, особенно для соединений на небольших расстояниях внутри центра обработки данных.

Что такое DSP?

DSP (процессор цифровых сигналов) — это микросхема, предназначенная для высокоскоростных вычислений с цифровыми сигналами и отвечающая за такие задачи, как выравнивание, усиление и коррекция ошибок сигнала. В традиционных высокоскоростных оптических модулях DSP эффективно компенсирует затухание сигнала при передаче на большие расстояния, но при этом увеличивает энергопотребление и общую стоимость.

Примечание: не все традиционные оптические модули используют DSP. Однако в высокоскоростных модулях DSP обычно необходимы для обеспечения высоких требований к качеству сигнала.

Что такое CDR?

CDR (восстановление тактового сигнала и данных) - это схемотехническая технология, используемая для восстановления и повторной синхронизации сигналов. В некоторых оптических модулях с низкой скоростью передачи данных CDR обычно применяется для стабилизации передачи сигнала, но в высокоскоростных модулях он, как правило, интегрирован в DSP. В архитектуре LPO эта функция также удалена, что приводит к созданию более простой и оптимизированной конструкции оптического модуля.

LPO и традиционные трансиверные модули на базе DSP: в чем разница?

В отличие от традиционных Трансиверные модули на основе DSP, технология LPO упрощает конструкцию оптических модулей за счёт удаления традиционных микросхем DSP (цифровой обработки сигнала) и CDR (восстановления тактового сигнала и данных); эти модули LPO интегрируют функции DSP в коммутирующую микросхему на стороне устройства. Вместо этого модули LPO сохраняют высоколинейные драйверы (Driver) и усилители с обратной связью по току (TIA), в которых реализованы функции линейной эквализации с непрерывным временем (CTLE) и эквализации (EQ). Такая упрощённая конструкция значительно снижает энергопотребление и задержку, хотя может незначительно повысить уровень ошибок и ограничить дальность передачи.

Как LPO преобразует волоконно-оптический трансивер 800G?

Сниженное энергопотребление

По сравнению с оптическими модулями 800G на базе DSP, модули 800G LPO могут снизить энергопотребление до 50%, что дает значительное преимущество центрам обработки данных, стремящимся сократить расход энергии и эксплуатационные расходы. Более низкое энергопотребление также означает меньшее выделение тепла в коммутаторах и серверах, что дополнительно повышает общую энергоэффективность.

Сокращение задержки передачи

За счёт удаления DSP трансиверы LPO исключают дополнительный этап обработки, что помогает снизить задержку передачи данных. Согласно исследованиям Dell Technologies, линейные подключаемые оптические модули могут снизить задержку до 90%.

Повышенная экономическая эффективность

DSP является самым дорогим компонентом традиционного сменного модуля, поэтому его удаление может привести к существенному снижению затрат.

Поддержка горячей замены и простота обслуживания

По сравнению с решением CPO, LPO обеспечивает большую гибкость и удобство обслуживания. В системе CPO при отказе любого устройства необходимо отключить питание и заменить всю плату, что крайне неудобно. LPO, напротив, сохраняет традиционную конструкцию с поддержкой горячей замены, упрощает прокладку оптических кабелей и обслуживание оборудования, а также предоставляет более удобное для пользователя решение.

Где применяется LPO в реальных сценариях?

Межсоединения центров обработки данных высокой плотности

Гипермасштабируемые центры обработки данных требуют обмена огромными объемами данных между кластерами серверов. Микросхемы DSP, используемые для компенсации сигнала в традиционных подключаемых оптических модулях, являются основным источником энергопотребления. За счет удаления DSP технология LPO значительно снижает энергопотребление и задержку отдельных оптических модулей. Это снижает энергопотребление стоек при развертывании высокой плотности, делая технологию LPO важнейшей для создания высокоскоростных соединений между центрами обработки данных.

Рабочие нагрузки ИИ и машинного обучения

Задачи ИИ и машинного обучения требуют высокоскоростного обмена данными с низкой задержкой. Модуль LPO обеспечивает чрезвычайно низкую задержку, оптимизируя передачу данных между кластерами GPU или узлами серверов ИИ и повышая общую вычислительную эффективность. Это делает его особенно подходящим для сценариев высокочастотной связи.

Какие проблемы следует учитывать при использовании LPO?

Ограниченные расстояния передачи

Удаление DSP имеет недостаток. Хотя TIA и микросхемы драйверов не могут полностью заменить функции DSP, это приводит к более высокой частоте битовых ошибок. В результате дальность передачи естественным образом ограничивается. В отрасли обычно считают, что LPO подходит только для конкретных приложений с небольшой дальностью, таких как соединения между сервером и коммутатором внутри стойки центра обработки данных или соединения между соседними стойками. Ранние реализации LPO поддерживают расстояния от нескольких метров до десятков метров, а в будущем они могут быть увеличены до 500 метров.

Зависимость от хоста

LPO переносит часть функций обработки сигнала из оптических модулей в микросхемы ASIC в коммутаторах или серверах. Это означает, что производительность модуля LPO больше не является полностью независимой, а в значительной степени зависит от возможностей хост-системы. Поэтому реализация LPO требует более тесного совместного проектирования и верификации между поставщиками оптических модулей и системного оборудования, что повышает сложность системы и степень взаимосвязанности.

Проблемы совместимости        

В настоящее время стандартизация LPO все еще находится на ранней стадии, что может привести к проблемам совместимости. Предприятиям, внедряющим LPO, необходимы достаточные технические знания для разработки спецификаций и решений, тестирования предельных возможностей устройств и модулей, а также проведения масштабного интеграционного тестирования и тестирования совместимости.

Иными словами, в средах с несколькими поставщиками при отсутствии строгого контроля и координации могут возникнуть такие проблемы, как неясность ответственности и перекладывание вины, что усложняет развертывание по сравнению с традиционными решениями на базе DSP.

CPO и LPO: какая технология будет определять будущее оптических подключений в центрах обработки данных?

Сначала нам нужно кратко разобраться, что такое CPO. 

Co-Packaged Optics — это передовая оптическая технология, которая объединяет оптические и электронные компоненты в одном корпусе. Это решение сокращает длину электрических соединений, снижая энергопотребление и задержку. Оно также обеспечивает более высокую плотность пропускной способности по сравнению с традиционными архитектурами с отдельными подключаемыми оптическими модулями. CPO особенно подходит для высокопроизводительных вычислений (HPC), центров обработки данных на базе ИИ и гипермасштабируемых облачных сред, где критически важны сверхвысокая пропускная способность, низкая задержка и энергоэффективная сеть.

В следующей таблице будут представлены различия между LPO и CPO.