LPO и CPO: какое оптическое межсоединение центра обработки данных станет доминирующим в следующем поколении?

Центры обработки данных развиваются, а скорость и эффективность стали ключевыми элементами их развития. На этом фоне конкуренция в области технологий оптического соединения достигла наивысшего накала. Фазовая автоподстройка частоты лазера (LPO) и когерентный генератор с фазовой автоподстройкой частоты (CPO) стали ведущими технологиями в этой области. В этой статье подробно анализируются различные особенности, преимущества и проблемы этих двух технологий, чтобы помочь вам лучше понять их ключевую роль в оптическом соединении центров обработки данных.

Развитие технологий CPO и LPO

Энергопотребление традиционных оптических модулей 10Gb составляет около 1 W (медных модулей — около 2 W). Однако с появлением оптических модулей 400G и 800G энергопотребление стремительно возросло до 30 W. Более того, когда количество оптических модулей достигает нескольких десятков (например, 48 модулей, общее энергопотребление может достигать 48 × 30 = 1440 W), их энергопотребление часто составляет 40% или более от общего энергопотребления всего оборудования. Резкий рост энергопотребления устройств оптической связи создал огромное давление на центры обработки данных, особенно с точки зрения затрат на электроэнергию. Это стало проблемой, которую нельзя игнорировать. Поэтому эффективное снижение энергопотребления и экономия энергии стали неотложной задачей отрасли.

В связи с этим появились решения CPO и LPO, которые быстро стали двумя актуальными темами в отрасли оптических модулей. В настоящее время многие поставщики ускорили разработку и внедрение соответствующих технологий, стремясь выйти в лидеры этой волны технологической революции.

Что такое CPO?

CPO, или Co-Packaged Optics, представляет собой передовую технологию, объединяющую оптические компоненты и коммутирующие микросхемы. Она устраняет необходимость в обычных подключаемых оптических модулях, сближая оптический двигатель и коммутирующую микросхему. Это, в свою очередь, повышает скорость передачи электрических сигналов между ними, улучшая общую производительность. Решения CPO меньше по размеру и более энергоэффективны, чем традиционные оптические модули, что делает их отличным выбором.

Развитие технологии CPO

Развитие технологии CPO можно разделить на два этапа:

Этап I: технология Near-Package Optics (NPO)

До того как технология CPO полностью созреет, технология NPO является более удобным переходным решением. Она обеспечивает преимущества в виде низкой стоимости и низкого энергопотребления за относительно короткий период и особенно подходит для первоначальной разработки и развертывания системы.

Этап II: технология CPO

Это новейшая форма технологии кремниевой фотонной коммутации, разработанная для минимизации сетевых затрат и энергопотребления. В решении CPO оптический двигатель и коммутационный чип тесно интегрированы в один и тот же модуль, что повышает общую производительность системы и энергоэффективность.

На практике оптический движок в основном отвечает за оптическое/электрическое преобразование в коммутационной сети. Наиболее распространенной формой является сменный модуль, однако по мере развития технологий появляются новые форм-факторы. Форм-фактор CPO объединяет коммутационный чип и оптический движок в одном слоте, тогда как NPO размещает их отдельно на одной системной плате. Хотя оба варианта используют оптоэлектронные модули, они различаются по энергопотреблению и эффективности из-за различий в расположении корпуса и длине кабельных соединений.

Преимущества CPO

Представьте высокотехнологичную телекоммуникационную инфраструктуру, в которой оптимизация пространства и энергоэффективность имеют ключевое значение для обработки растущего объема трафика и повышения скоростей. Благодаря объединению технологии CPO мы можем обеспечить более быструю и надежную связь, одновременно создавая пространство для развития интеллектуальных и энергоэффективных сетевых технологий. Основные преимущества CPO:

Улучшенная целостность сигнала

CPO повышает целостность сигнала за счет сокращения расстояния передачи электрических сигналов, что означает уменьшение необходимости в компенсации сигнала. Это усовершенствование не только повышает гибкость проектирования PCB, но и оптимизирует общую производительность, обеспечивая больше свободы и эффективности при проектировании.

Компактная конструкция, высокая степень интеграции

Технология CPO интегрирует фотонные и электронные компоненты в одном корпусе, что значительно уменьшает размер системы по сравнению с традиционным способом раздельной упаковки оптических модулей и электронных микросхем. Такая компактность особенно важна в интегральных схемах высокой плотности, где критически важен каждый дюйм пространства.

Сниженная задержка

CPO позволяет значительно снизить энергопотребление и повысить эффективность традиционной технологии LPO за счет интеграции электронных и оптических компонентов с использованием процесса CMOS. Поскольку оптический модуль и электронный чип размещаются в одном корпусе, путь передачи сигнала значительно сокращается, что уменьшает задержку по сравнению с методами раздельной упаковки.

Согласно отчёту LightCounting за декабрь 2022 года, спрос на сетевые скорости для HPC (высокопроизводительных вычислений) уже более чем в 10 раз превышает текущую скорость. На фоне такого спроса ожидается, что CPO снизит энергопотребление существующей архитектуры подключаемых оптических модулей на 50%, эффективно решив проблему высокоскоростной и высокоплотной передачи данных между соединениями. Тем временем отечественные поставщики также активно исследуют и разрабатывают технологию CPO, способствуя её дальнейшему развитию и совершенствованию.

Что такое LPO?

LPO (Linear Drive Pluggable Optics) — это решение, использующее технологию прямого линейного привода в оптических модулях. В отличие от традиционных конструкций оптических модулей, LPO исключает распространенные устаревшие компоненты, такие как DSP (Digital Signal Processors) и CDR (Clock Data Recovery), что эффективно снижает энергопотребление и задержку системы. Такая конструкция отличается энергоэффективностью и высокой производительностью, однако имеет определенные компромиссы. Во-первых, она не так хорошо исправляет ошибки и не обеспечивает такую же дальность, как другие системы. Поэтому технология LPO лучше подходит для связи на коротких расстояниях, например внутри центров обработки данных. Она особенно эффективна, когда требуется очень высокая скорость и не нужна абсолютная безошибочность передачи.

Традиционные подключаемые оптические модули обычно используют микросхемы DSP для обработки высокоскоростных сигналов и обеспечения низкого BER, однако это также приводит к более высокому энергопотреблению. В случае оптический модуль 400G, например, энергопотребление 7-нм DSP составляет около 4 Вт, что соответствует почти половине энергопотребления всего модуля. В отличие от этого, LPO снижает энергопотребление за счет исключения этих дополнительных компонентов, но ценой уменьшения дальности передачи и возможностей коррекции ошибок.

Преимущества LPO

Линейные подключаемые оптические модули (LPO) имеют ряд преимуществ в сфере оптических соединений, благодаря чему идеально подходят для улучшения подключения в центрах обработки данных и удовлетворения требований современных сетей. Ниже приведены некоторые ключевые преимущества технологии LPO:

Горячая замена и упрощённое обслуживание

В отличие от CPO, LPO сохраняет традиционную модульную конструкцию оптических компонентов, что делает его решением с низким уровнем помех и простым обслуживанием. Если компонент в системе CPO выходит из строя, обычно требуется разобрать весь коммутатор, что значительно усложняет техническое обслуживание. Однако LPO поддерживает горячую замену, поэтому вышедшие из строя модули можно заменить удобнее, не прерывая работу системы и сводя время простоя к минимуму.

Сниженная задержка

LPO отказывается от традиционного процессора цифровой обработки сигналов (DSP), тем самым устраняя необходимость в сложном процессе уменьшения сигнала. Такая конструкция обеспечивает значительно меньшую нагрузку на обработку данных в системе, что эффективно снижает задержку. Это особенно важно для ситуаций, требующих чрезвычайно низкой задержки, например для связи между GPU в HPC.

Сниженная стоимость

Отказ от использования DSP позволяет LPO эффективно снизить энергопотребление и общие эксплуатационные расходы. В настоящее время технология DSP контролируется несколькими компаниями (например, Broadcom и Inphi), что делает её дорогостоящей и ограниченной с точки зрения доступных ресурсов и экспертизы. Отсутствие зависимости LPO от DSP помогает снизить потребность в этих дефицитных ресурсах, что, в свою очередь, открывает возможности для диверсификации цепочки поставок и повышает конкурентоспособность рынка.

Высокий интерес всех участников к разработке и применению технологии LPO (линейно управляемой подключаемой оптики) — от производителей микросхем до поставщиков коммутаторов и конечных пользователей — указывает на весьма перспективные бизнес-перспективы. На OFC 2023 ведущие отраслевые компании, такие как Macom и Broadcom, продемонстрировали свои решения с линейным управлением, что ещё больше подчеркнуло тенденцию развития этой технологии. Между тем решение с линейным управлением, представленное Arista, получило признание ведущих поставщиков коммутаторов, включая Innovium и NVIDIA, что отражает консенсус отрасли относительно огромной ценности технологии LPO для передовых сетевых приложений.

CPO и LPO: какая технология будет доминировать в оптических соединениях центров обработки данных?

Технология LPO представляет собой стратегический выбор, адаптированный для конкретных сценариев, таких как приложения с передачей данных на короткие расстояния. Хотя LPO отказывается от устаревших компонентов, таких как DSP/CDR, что может привести к небольшому снижению производительности с точки зрения BER, преимущества в энергопотреблении, стоимости и задержке являются значительными. В отличие от CPO, LPO делает акцент на эффективности и снижении затрат в конкретных приложениях, поэтому имеет свои уникальные сильные и слабые стороны.

Хотя технология LPO появилась немного позже CPO, ожидается, что она быстрее завоюет популярность на рынке. Различия между CPO и LPO показаны в таблице ниже:

Будущие перспективы и вызовы CPO

Будущий рынок CPO многообещающий

Технология CPO открывает новое направление для повышения плотности оптических соединений и, как ожидается, будет коммерциализирована для приложений свыше 100T. Согласно данным LightCounting, поставки CPO начнутся с портов 800G и 1.6T, а коммерциализация ожидается в период с 2024 по 2025 год. В период с 2026 по 2027 год ожидается значительный рост поставок CPO в сценариях ближней передачи данных для гипермасштабируемых поставщиков облачных услуг, а рыночный спрос, как ожидается, существенно увеличится. По прогнозам CIR, к 2027 году общий объем выручки на рынке CPO достигнет $5.4 billion.

Ожидается, что количество портов CPO в глобальных продажах вырастет с 50,000 в 2023 году до 4.5 миллиона в 2027 году. К 2027 году, как ожидается, порты CPO будут составлять почти 30 процентов поставок в категориях 800G и 1.6T. Согласно отчету Yole, доходы рынка CPO составили примерно $38 миллионов в 2022 году, а к 2033 году, как ожидается, вырастут до $2.6 миллиарда при совокупном годовом темпе роста (CAGR) 46%.

Проблемы CPO

Хотя технология CPO открывает новые перспективы для передовых оптических межсоединений, она по-прежнему сталкивается с проблемами, связанными со зрелостью технологии, срочностью внедрения на рынке и бизнес-моделями. Для превращения CPO в основное решение в сфере оптических межсоединений центров обработки данных эти вопросы необходимо эффективно решить.

Технологический путь и зрелость: технология когерентного генератора с фазовой синхронизацией (CPO) все еще находится на ранних этапах развития, и ее технологический путь требует дальнейшего совершенствования. Хотя будущее CPO выглядит весьма перспективным, технология еще не достигла уровня широкого применения, и ей по-прежнему необходимо время для накопления большего числа практических примеров и опыта. В отличие от этого, традиционные подключаемые оптические модули по-прежнему доминируют на рынке, и CPO может потребоваться несколько лет, чтобы заменить их в качестве основного решения.

Срочность внедрения: в эпоху оптических модулей 3.2T требования к форм-фактору и размерам технологии CPO были высокими. Однако в текущую эпоху 1.6T подключаемые оптические модули по-прежнему обеспечивают зрелое магистральное решение, а их конфигурации 8x200G уже удовлетворяют потребности большинства отраслей. Текущий спрос на более скоростные решения CPO невысок, что может замедлить быстрое распространение CPO на рынке.

Проблемы бизнес-модели: внедрение технологии CPO требует значительного технологического задела в области кремниевой фотоники, а это означает, что ее развитие будет в значительной степени зависеть от научно-исследовательского потенциала и производственных мощностей соответствующей технологии. Зависимость от конкретных производителей может стать серьезным препятствием для широкого применения технологии CPO. Во-первых, технологический задел в области кремниевой фотоники и сложность производственного процесса привели к тому, что производство и научные исследования и разработки CPO сосредоточены в руках нескольких производителей. Такая зависимость может привести к возникновению технологической монополии на рынке, что, в свою очередь, повлияет на конкурентоспособность и технологические инновации различных поставщиков. Кроме того, чрезмерная зависимость от одного поставщика может ограничить технологическое развитие, повысить неопределенность в цепочке поставок и повлиять на гибкость и свободу конечных пользователей при выборе решений CPO.

Несмотря на большой потенциал технологии CPO, она по-прежнему сталкивается с проблемами, связанными со зрелостью технологии, срочностью выхода на рынок и созданием соответствующих бизнес-моделей.

Перспективы развития и проблемы LPO

Развитие отрасли LPO: параллелизм в стране и за рубежом

Ожидается, что технология LPO, представляющая собой перспективное решение для оптического межсоединения, будет запущена в массовое производство к концу 2024 года. По мере дальнейшего развития этой технологии ведущие мировые поставщики уже выпустили соответствующие продукты. Такие ведущие поставщики, как Macom, Semtech и MaxLinear, добились значительного прогресса в разработке технологий, а Broadcom активно продвигает собственное решение LPO. Эксперты отрасли считают, что по мере роста потребности поставщиков облачных услуг Северной Америки в вычислительных ресурсах крупные компании, такие как Microsoft, Meta, AWS и Google, будут постепенно внедрять решения LPO для повышения эффективности передачи данных и снижения задержки.

Проблемы, связанные с LPO

Несмотря на большой потенциал LPO для оптических межсоединений, на пути его развития по-прежнему существует ряд проблем. Решение этих вопросов имеет решающее значение для того, чтобы технология LPO получила признание на рынке. Ниже приведены некоторые ключевые проблемы, с которыми LPO, вероятно, столкнется в процессе развития:

Требования к сотрудничеству: развертывание LPO требует тесного сотрудничества между поставщиками LPO и производителями коммутаторов. Производители оптических модулей должны модернизировать свои технологии и обеспечить тесную координацию между восходящими и нисходящими звеньями цепочки поставок, чтобы способствовать сотрудничеству и инновациям во всей отрасли.

Небольшая дальность передачи: LPO разработаны без компонента DSP, что повышает BER и ограничивает расстояние передачи сигнала. При передаче на большие расстояния LPO могут быть менее стабильными, чем традиционные оптические модули. Изначально LPO могут устанавливать соединение на расстоянии от нескольких метров до нескольких десятков метров, а в будущем дальность передачи может быть увеличена до 500M. Для решения этой проблемы важно оптимизировать дальность передачи и усилить механизмы коррекции ошибок системы.

Стандартизация находится на начальном этапе: процесс стандартизации LPO всё ещё находится на начальном этапе, и совместимость технологии может столкнуться с определёнными трудностями. В настоящее время LPO лучше всего подходит для закрытых систем одного поставщика. Если используется многопоставщицкое решение, а возможности внутренней интеграции недостаточны, это может привести к несовместимости систем и проблемам с распределением ответственности. В этом случае традиционные решения на базе DSP могут по-прежнему иметь больше преимуществ.

Ограничения проектирования электрического канала: LPO предъявляет более высокие требования к проектированию электрического канала на стороне системы. В настоящее время в SerDes в основном используются спецификации 112G, а в будущем ожидается переход на 224G; однако технология LPO может оказаться неспособной удовлетворить требованиям передачи данных будущих SerDes 224G, что может ограничить ее производительность в будущих приложениях для крупномасштабной передачи данных.

В заключение, хотя технология LPO обладает значительным потенциалом и множеством преимуществ, для преодоления перечисленных выше проблем и широкого внедрения необходимы дальнейшие технологические инновации и сотрудничество в отрасли.

Заключение

Хотя подключаемые оптические модули с линейным приводом (LPO) и оптика в едином корпусе (CPO) становятся перспективными направлениями развития технологии межсоединений центров обработки данных, подключаемые оптические модули по-прежнему являются отраслевым стандартом. По мере роста спроса на более высокую производительность и меньшую задержку в центре обработки данных такие поставщики, как QSFPTEK, представили подключаемые модули Ethernet и InfiniBand на 800G. Эти модули способны обеспечивать скорость передачи данных до 800 Gigabits per second, предоставляя критически важную поддержку пропускной способности для приложений HPC. В будущем, по мере дальнейшего развития технологий и внедрения отраслью новых решений, CPO и LPO могут постепенно заменить существующие подключаемые оптические модули, особенно в гипермасштабируемых центрах обработки данных и приложениях высокопроизводительных вычислений.