光通信新技術：什么是LPO？

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

近年來，光通信產業的發展勢頭很猛，在5G、寬帶中國、東數西算等國家戰略的持續刺激下，國內光通信技術取得了巨大突破，光基礎設施也有了質的飛躍。特別是今年，AIGC大模型爆火，智算和超算崛起，更是帶動了光通信的新一波發展熱潮。骨干網400G即將全面落地，數據中心800G和1.6T也躍躍欲試。


OSPF的演進（來源：Arista Network）

光通信演進的挑戰
其實，光通信的技術迭代，并不是簡單的數字翻倍。進入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的功耗和成本問題。速率提升就像汽車運貨。當運載的貨物越來越重，就需要升級發動機。而發動機的排量越大，油耗就越大，發動機價格和油費也會越多。

我們就以光模塊為例。

作為光網絡的關鍵器件，也是用得最多的器件，光模塊一直以來都是行業關注的焦點。它的功耗和價格，和用戶采購意愿息息相關。早在2007年的時候，一個萬兆（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，一個交換機可不止一個光模塊。滿載的話，往往就有幾十個光模塊（假如有48個，就是48×30=1440W）。一般來說，光模塊的功耗大約占整機功耗的40%以上。這就意味著，整機的功耗極大可能會超過3000W。

光通信設備的能耗激增，也給整個數據中心的能耗及成本帶來了巨大的壓力，極不利于通信網絡的雙碳目標。


相比2010年，光器件能耗將增加26倍。（圖片來自思科）

為了解決光通信速率攀升帶來的能耗問題，行業進行了大量的技術探索。去年很火的CPO，就是解決方案之一。今年，在CPO之外，行業又提出了一個新方案，這就是——LPO。

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



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


那么，LPO和傳統光模塊的關鍵區別，就在于線性驅動（Linear-drive）了。所謂“線性驅動”，是指LPO采用了線性直驅技術，光模塊中取消了DSP（數字信號處理）/CDR（時鐘數據恢復）芯片。

問題來了——什么是線性直驅呢？DSP發揮什么作用？為什么可以被取消？取消之后，會帶來什么影響？

這里，我們還是先從光模塊的基本架構開始講起。光模塊傳輸，就是電信號變成光信號，光信號又變成電信號的過程。


在發送端，信號經過數模轉換（DAC），從數字信號變成模擬信號。在接收端，模擬信號經過模數轉換（ADC），又變成數字信號。一頓操作下來，得到的數字信號就有點亂，有點失真。這時候，需要DSP，對數字信號進行“修復”。

DSP就是一個跑算法的芯片。它擁有數字時鐘恢復功能、色散補償功能（去除噪聲、非線性干擾等因素影響），可以對抗和補償失真，降低失真對系統誤碼率的影響。



（注意：DSP這個東西，也不是所有的傳統光模塊都有。但是，在高速光模塊中，對信號要求高，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動器（LDD）、跨阻放大器（TIA）、限幅放大器（LA）、時鐘數據恢復芯片（CDR，Clock and Data Recovery）等。CDR也是用于數據還原。它從接收到的信號中提取出數據序列，并且恢復出與數據序列相對應的時鐘時序信號，從而還原接收到的具體信息。

DSP的功能很強大。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，占到了整個模塊功耗的50%左右。



從成本的角度來看，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，將相關功能集成到設備側的交換芯片中。

光模塊中，只留下具有高線性度的Driver（驅動芯片）和TIA（Trans-Impedance Amplifier，跨阻放大器），并分別集成CTLE（Continuous Time Linear Equalization，連續時間線性均衡）和EQ（Equalization，均衡）功能，用于對高速信號進行一定程度的補償。



LPO的優點
LPO的優點，歸納來說，就是：低功耗、低成本、低延時、易維護。

低功耗
沒有了DSP，功耗肯定是下降了。根據Macom的數據，具有DSP功能的800G多模光模塊的功耗可超過13W，而利用MACOM PURE DRIVE技術的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。有業界機構分析：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，成本會增加3~5美金。算下來，系統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等少數廠商所掌握的技術。取消了DSP，從某種程度上來說，也減少了對少數廠商的依賴。

低時延
沒有了DSP，減少了一個處理過程，數據的傳輸時延也隨之下降。這個優點，對于AI計算和超級計算場景尤為重要。

易維護
這是相對于CPO方案來說的。CPO方案中，如果系統中任何一個器件壞了，就要下電，把整個板子換掉，維護起來很不方便。LPO的封裝沒有顯著改變，支持熱插拔，簡化了光纖布線和設備維護，使用上更加方便。

LPO的當前挑戰
通信距離短
去掉DSP，當然還是有代價的。TIA和Driver芯片并不能完全替代DSP，所以，會導致系統的誤碼率提升。誤碼率高了，傳輸距離自然就短了。行業普遍認為，LPO只適用于特定的短距離應用場景。例如，數據中心機柜內服務器到交換機的連接，以及數據中心機柜間的連接等。發展初級的LPO，連接距離從幾米到幾十米。未來，可能會拓展到500米以內。

標準化剛起步
目前，LPO的標準化還處于早期階段，在互聯互通上可能會存在一些挑戰。對于企業來說，如果采用LPO，那么，需要具備一定的技術能力，能夠制定技術規格和方案，能夠探索設備和模塊的邊界條件，能夠進行大量的集成、互聯互通測試。

換言之，LPO目前更適合較為封閉和供應商單一的系統。如果采用多供應商，自己又沒有實力駕馭，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DSP方案。此外，也有專家指出，LPO給系統側的電通道設計帶來了一定挑戰。目前SerDes主流規格是112G，很快將升級到224G。專家們認為，LPO沒辦法跟上224G SerDes的要求。

LPO的產業化進展
LPO方案其實之前就有企業提出過，但是因為技術限制，沒有做出什么成果。今年的OFC大會上，LPO再次被提出，很快成為行業關注的焦點。AWS、Meta、微軟、谷歌等國際市場主要客戶，都對LPO表示了興趣。眾多光通信巨頭，也紛紛投入資源進行研發。

LPO方案的關鍵，還是在于芯片。高線性度TIA&Driver的主要供應商，有Macom、Semtech、美信等.根據預測，樂觀的認為：2024年，LPO將實現規模商業化,未來LPO能占據一半的市場份額。有些則認為，CPO/LPO的份額將在2026年達到30%左右。

結語
LPO的邏輯本質，就是平衡和取舍。它基于特定的應用場景（短距離），舍棄了DSP/CDR，犧牲了一點性能（誤碼率），但是，換來了更低的功耗、成本和時延。




它和CPO各有所長，雖然誕生的時間比CPO更晚，但落地的速度，會比CPO更快。按目前的趨勢，LPO將是800G時代最具潛力的技術路線。隨著AIGC浪潮的發展，數據中心光網絡將加速向800G演進。LPO的黃金時代，即將到來。


來源鮮棗課堂