9/27/2023，光纖在線訊，從2023年3月OFC起，LPO成為了行業(yè)非�；馃岬募夹g(shù)，到2023年9月CIOE，各光模塊廠商紛紛DEMO展示400G及800G ，本篇詳細(xì)介紹光模塊新方案——LPO

近年來(lái)，光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭很猛，在5G、寬帶中國(guó)、東數(shù)西算等國(guó)家戰(zhàn)略的持續(xù)刺激下，國(guó)內(nèi)光通信技術(shù)取得了巨大突破，光基礎(chǔ)設(shè)施也有了質(zhì)的飛躍。特別是今年，AIGC大模型爆火，智算和超算崛起，更是帶動(dòng)了光通信的新一波發(fā)展熱潮。骨干網(wǎng)400G即將全面落地，數(shù)據(jù)中心800G和1.6T也躍躍欲試。


OSPF的演進(jìn)（來(lái)源：Arista Network）

光通信演進(jìn)的挑戰(zhàn)
其實(shí)，光通信的技術(shù)迭代，并不是簡(jiǎn)單的數(shù)字翻倍。進(jìn)入400G階段后，我們要解決的問題，不僅僅是速率的提升，更包括高速率所帶來(lái)的功耗和成本問題。速率提升就像汽車運(yùn)貨。當(dāng)運(yùn)載的貨物越來(lái)越重，就需要升級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。而發(fā)動(dòng)機(jī)的排量越大，油耗就越大，發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)格和油費(fèi)也會(huì)越多。

我們就以光模塊為例。

作為光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件，也是用得最多的器件，光模塊一直以來(lái)都是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。它的功耗和價(jià)格，和用戶采購(gòu)意愿息息相關(guān)。早在2007年的時(shí)候，一個(gè)萬(wàn)兆（10Gbps）的光模塊，功率才1W左右。隨著40G、100G、400G、800G的迭代，光模塊的功耗一路飆升，直逼30W。

要知道，一個(gè)交換機(jī)可不止一個(gè)光模塊。滿載的話，往往就有幾十個(gè)光模塊（假如有48個(gè)，就是48×30=1440W）。一般來(lái)說(shuō)，光模塊的功耗大約占整機(jī)功耗的40%以上。這就意味著，整機(jī)的功耗極大可能會(huì)超過(guò)3000W。

光通信設(shè)備的能耗激增，也給整個(gè)數(shù)據(jù)中心的能耗及成本帶來(lái)了巨大的壓力，極不利于通信網(wǎng)絡(luò)的雙碳目標(biāo)。


相比2010年，光器件能耗將增加26倍。（圖片來(lái)自思科）

為了解決光通信速率攀升帶來(lái)的能耗問題，行業(yè)進(jìn)行了大量的技術(shù)探索。去年很火的CPO，就是解決方案之一。今年，在CPO之外，行業(yè)又提出了一個(gè)新方案，這就是——LPO。

什么是LPO
LPO，英文全稱叫Linear-drive Pluggable Optics，即線性驅(qū)動(dòng)可插拔光模塊。從名字可以看出，它是一種光模塊封裝技術(shù)。所謂“可插拔（Pluggable）”，我們平時(shí)看到的光模塊，都是可插拔的。如下圖所示，交換機(jī)上有光模塊的端口，把對(duì)應(yīng)的光模塊插進(jìn)去，就能插光纖了。如果壞了，也可以換。



LPO強(qiáng)調(diào)“可插拔”，是為了和CPO方案相區(qū)分。CPO方案里，光模塊是不可以插拔的。光模塊（光引擎）被移動(dòng)到了距離交換芯片更近的位置，直接“綁”在一起了


那么，LPO和傳統(tǒng)光模塊的關(guān)鍵區(qū)別，就在于線性驅(qū)動(dòng)（Linear-drive）了。所謂“線性驅(qū)動(dòng)”，是指LPO采用了線性直驅(qū)技術(shù)，光模塊中取消了DSP（數(shù)字信號(hào)處理）/CDR（時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)）芯片。

問題來(lái)了——什么是線性直驅(qū)呢？DSP發(fā)揮什么作用？為什么可以被取消？取消之后，會(huì)帶來(lái)什么影響？

這里，我們還是先從光模塊的基本架構(gòu)開始講起。光模塊傳輸，就是電信號(hào)變成光信號(hào)，光信號(hào)又變成電信號(hào)的過(guò)程。


在發(fā)送端，信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC），從數(shù)字信號(hào)變成模擬信號(hào)。在接收端，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC），又變成數(shù)字信號(hào)。一頓操作下來(lái)，得到的數(shù)字信號(hào)就有點(diǎn)亂，有點(diǎn)失真。這時(shí)候，需要DSP，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行“修復(fù)”。

DSP就是一個(gè)跑算法的芯片。它擁有數(shù)字時(shí)鐘恢復(fù)功能、色散補(bǔ)償功能（去除噪聲、非線性干擾等因素影響），可以對(duì)抗和補(bǔ)償失真，降低失真對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響。



（注意：DSP這個(gè)東西，也不是所有的傳統(tǒng)光模塊都有。但是，在高速光模塊中，對(duì)信號(hào)要求高，所以基本需要DSP。）

除了DSP之外，光模塊中主要的電芯片還包括激光驅(qū)動(dòng)器（LDD）、跨阻放大器（TIA）、限幅放大器（LA）、時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)芯片（CDR，Clock and Data Recovery）等。CDR也是用于數(shù)據(jù)還原。它從接收到的信號(hào)中提取出數(shù)據(jù)序列，并且恢復(fù)出與數(shù)據(jù)序列相對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘時(shí)序信號(hào)，從而還原接收到的具體信息。

DSP的功能很強(qiáng)大。但是，它的功耗和成本也很高。例如，在400G光模塊中，用到的7nm DSP，功耗約為4W，占到了整個(gè)模塊功耗的50%左右。



從成本的角度來(lái)看，400G光模塊中，DSP的BOM（Bill of Materials，物料清單）成本約占20-40%。LPO方案，就是把光模塊中的DSP/CDR芯片干掉，將相關(guān)功能集成到設(shè)備側(cè)的交換芯片中。

光模塊中，只留下具有高線性度的Driver（驅(qū)動(dòng)芯片）和TIA（Trans-Impedance Amplifier，跨阻放大器），并分別集成CTLE（Continuous Time Linear Equalization，連續(xù)時(shí)間線性均衡）和EQ（Equalization，均衡）功能，用于對(duì)高速信號(hào)進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償。



LPO的優(yōu)點(diǎn)
LPO的優(yōu)點(diǎn)，歸納來(lái)說(shuō)，就是：低功耗、低成本、低延時(shí)、易維護(hù)。

低功耗
沒有了DSP，功耗肯定是下降了。根據(jù)Macom的數(shù)據(jù)，具有DSP功能的800G多模光模塊的功耗可超過(guò)13W，而利用MACOM PURE DRIVE技術(shù)的800G多模光模塊功耗低于4W。

低成本
DSP的BOM成本約占20-40%，這個(gè)就沒有了。Driver和TIA集成了EQ，成本略有增加，但整體還是下降的。有業(yè)界機(jī)構(gòu)分析：800G光模塊中，BOM成本約為600~700美金，DSP芯片的成本約為50~70美金。Driver和TIA里集成了EQ功能，成本會(huì)增加3~5美金。算下來(lái)，系統(tǒng)總成本可以下降大約8%，大約50~60美金。值得一提的是，DSP也是博通、Inphi等少數(shù)廠商所掌握的技術(shù)。取消了DSP，從某種程度上來(lái)說(shuō)，也減少了對(duì)少數(shù)廠商的依賴。

低時(shí)延
沒有了DSP，減少了一個(gè)處理過(guò)程，數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延也隨之下降。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于AI計(jì)算和超級(jí)計(jì)算場(chǎng)景尤為重要。

易維護(hù)
這是相對(duì)于CPO方案來(lái)說(shuō)的。CPO方案中，如果系統(tǒng)中任何一個(gè)器件壞了，就要下電，把整個(gè)板子換掉，維護(hù)起來(lái)很不方便。LPO的封裝沒有顯著改變，支持熱插拔，簡(jiǎn)化了光纖布線和設(shè)備維護(hù)，使用上更加方便。

LPO的當(dāng)前挑戰(zhàn)
通信距離短
去掉DSP，當(dāng)然還是有代價(jià)的。TIA和Driver芯片并不能完全替代DSP，所以，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的誤碼率提升。誤碼率高了，傳輸距離自然就短了。行業(yè)普遍認(rèn)為，LPO只適用于特定的短距離應(yīng)用場(chǎng)景。例如，數(shù)據(jù)中心機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器到交換機(jī)的連接，以及數(shù)據(jù)中心機(jī)柜間的連接等。發(fā)展初級(jí)的LPO，連接距離從幾米到幾十米。未來(lái)，可能會(huì)拓展到500米以內(nèi)。

標(biāo)準(zhǔn)化剛起步
目前，LPO的標(biāo)準(zhǔn)化還處于早期階段，在互聯(lián)互通上可能會(huì)存在一些挑戰(zhàn)。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，如果采用LPO，那么，需要具備一定的技術(shù)能力，能夠制定技術(shù)規(guī)格和方案，能夠探索設(shè)備和模塊的邊界條件，能夠進(jìn)行大量的集成、互聯(lián)互通測(cè)試。

換言之，LPO目前更適合較為封閉和供應(yīng)商單一的系統(tǒng)。如果采用多供應(yīng)商，自己又沒有實(shí)力駕馭，那么，可能存在“問題較難界定，相互扯皮”的問題，還不如使用傳統(tǒng)DSP方案。此外，也有專家指出，LPO給系統(tǒng)側(cè)的電通道設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定挑戰(zhàn)。目前SerDes主流規(guī)格是112G，很快將升級(jí)到224G。專家們認(rèn)為，LPO沒辦法跟上224G SerDes的要求。

LPO的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展
LPO方案其實(shí)之前就有企業(yè)提出過(guò)，但是因?yàn)榧夹g(shù)限制，沒有做出什么成果。今年的OFC大會(huì)上，LPO再次被提出，很快成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。AWS、Meta、微軟、谷歌等國(guó)際市場(chǎng)主要客戶，都對(duì)LPO表示了興趣。眾多光通信巨頭，也紛紛投入資源進(jìn)行研發(fā)。

LPO方案的關(guān)鍵，還是在于芯片。高線性度TIA&Driver的主要供應(yīng)商，有Macom、Semtech、美信等.根據(jù)預(yù)測(cè)，樂觀的認(rèn)為：2024年，LPO將實(shí)現(xiàn)規(guī)模商業(yè)化,未來(lái)LPO能占據(jù)一半的市場(chǎng)份額。有些則認(rèn)為，CPO/LPO的份額將在2026年達(dá)到30%左右。

結(jié)語(yǔ)
LPO的邏輯本質(zhì)，就是平衡和取舍。它基于特定的應(yīng)用場(chǎng)景（短距離），舍棄了DSP/CDR，犧牲了一點(diǎn)性能（誤碼率），但是，換來(lái)了更低的功耗、成本和時(shí)延。




它和CPO各有所長(zhǎng)，雖然誕生的時(shí)間比CPO更晚，但落地的速度，會(huì)比CPO更快。按目前的趨勢(shì)，LPO將是800G時(shí)代最具潛力的技術(shù)路線。隨著AIGC浪潮的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)絡(luò)將加速向800G演進(jìn)。LPO的黃金時(shí)代，即將到來(lái)。


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