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【產業動態】什麼是 LPO ?智慧計算網路基礎設施的重大技術變革

近年來,光通訊產業發展迅速,在5G和人工智慧的推動下,光通訊技術取得了巨大突破,基礎設施也實現了質的飛躍,隨著 AI 技術的廣泛應用,尤其是今年 AIGC 大模型的流行,企業和組織對智慧運算中心的需求不斷增長,在各個產業,我們都迫切希望運用 AI 技術來改善工作流程、提高效率,實現更大的價值;為了在技術和市場上獲得優勢,各方紛紛競相建設智慧運算中心,激勵企業和組織不斷投資和創新,以打造更強大、更高效的網路基礎設施;因此帶動了光通訊新一波發展熱潮,400G 骨幹網路即將全面部署,資料中心800G、1.6T也躍躍欲試。

OSFP Roadmap

AI 運算中心的建設已經帶動了光學模組市場的大幅增長,從技術和需求兩方面帶來了深刻的變革,隨著應用場景的不斷演進和市場需求的快速增長,LightCounting 預測,在接下來的五年內,光學模組市場的總體規模將繼續保持穩定增長。

Source: LightCounting
Source: LightCounting

自 2007 年首次亮相以來,光學模組不斷進化,隨著光學模組速度的增加,功耗、成本和尺寸已成為進一步發展的瓶頸;此外,隨著AI 運算中心的快速增長,對光學模組提出了新的要求:

高速需求 (High-speed):

AI 運算中心需要處理大規模資料,進行高速資料傳輸和處理;目前,商用高速光學模組,如100G、400G和800G,正在不斷持續開發與進化,以實現更高的資料傳輸速率;未來,光學模組將繼續朝著更高速度的方向演進,以滿足不斷增長的資料傳輸需求。


微型化需求 (Miniaturization):

AI 運算中心具有高密度的伺服器和設備,需要大量的光纖布線來連接各種設備,然而,傳統的光學模組在尺寸和布線密度方面存在限制;為了滿足高密度布線的需求,光學模組透過先進的封裝技術和整合電路設計不斷縮小其尺寸,這使得更高的傳輸埠密度和更靈活的佈局得以實現。


低功耗要求 (Low power consumption):

AI 運算中心對能源消耗和管理效率有較高的需求,光學模組的功耗是影響光通訊系統整體能源效率的關鍵因素之一;為了降低功耗,光學模組融入了更高效的光電元件、低功耗驅動電路、和降低製程節點以及先進封裝技術的節能;其功耗和價格與客戶購買意願密切相關,在2007 年 10G(10Gbps)光學模組的功率僅為 1W 左右,到了40G、100G、400G、800G,光學模組的功耗達到了30W;更重要的是一台交換機可以有多個光學模組,以滿載的狀況下,通常有幾十個光學模組(如果有48個的話,就是48×30=1440W);一般來說,光學模組的功耗約佔整機功耗的40%以上,因此整機功耗極有可能超過3000W;光通訊設備能耗的激增也對整個 AI 運算中心的能耗和成本帶來巨大壓力,這對通訊網路的碳達峰 (carbon peaking) 和碳中和 (carbon neutrality) 目標極為不利。

與2010年相比,光元件的能耗將增加26倍。(圖片來源:CISCO)
與2010年相比,光元件的能耗將增加26倍。(圖片來源:CISCO)

靈活性需求 (Flexibility):

AI 運算中心的需求不斷演變,需要靈活的網路架構,光學模組的可插拔能力使網路配置和升級更加靈活和便捷,它允許使用者根據特定需求選擇適當的光學模組類型、傳輸速率和協定,滿足不同應用場景的多樣需求。(延伸閱讀:可插拔相干光學模組測試400G可插拔相干模組:準備迎接真實工作!可插拔相干光學模組中的OSNR:光訊號品質的關鍵指標)

因此,在未來AI 運算中心的發展中,只有那些具備高速能力、小型化、低功耗和靈活性的光學模組,才能提供更有效的支持,實現高速、高密度和可靠的光通訊系統。


然而,目前傳統的高速光學模組使用數位訊號處理器(DSP)來處理高速訊號,儘管DSP提供了數位時脈恢復和色散補償等功能,有助於實現更低誤碼率的訊號恢復,但也帶來了更高的功耗和成本。


LPO 線性驅動可插拔光學 (Linear-drive Pluggable Optics)


為了在滿足高速、高密度光通訊連接的需求,以及光網路的靈活性和可擴展性需求的同時,降低功耗和成本上,出現了線性驅動可插拔光學(LPO, Linear-drive Pluggable Optics)技術,LPO 技術採用了線性驅動方法,將DSP替換為具有高線性和等化功能的轉導放大器(TIA, Transimpedance Amplifier)和驅動器(驅動晶片),這種替換顯著降低了功耗和延遲。

LPO 線性驅動隨插即用光學技術藍圖
LPO 線性驅動可插拔光學技術藍圖

LPO 強調“可插拔”,是與 CPO 共同封裝架構 中光學模組不可插拔的最大區別。CPO 將光學模組(光學引擎)移至靠近交換晶片,直接與其「捆綁」在一起;而所謂「線性驅動」是指LPO採用線性直接驅動技術,光學模組中取消了DSP(數位訊號處理)/ CDR(時脈資料恢復)晶片,那什麼是線性直接驅動,DSP的作用是什麼,為什麼可以取消呢?拆除後有何影響? (延伸閱讀:CPO 共同封裝的架構介紹)

LPO 與傳統光模組的主要區別在於線性驅動
LPO 與傳統光模組的主要區別在於線性驅動

我們先從光模組的基本架構開始,光學模組傳輸即電訊號轉變為光訊號,光訊號轉變為電訊號的過程;在發送端 (TX),訊號經過數位類比轉換器 (DAC),將其從數位訊號變為類比訊號;在接收端 (RX),類比訊號經過類比數位轉換(ADC)並再次變為數位;經過一番運算後,得到的數位訊號有點雜亂、失真,這時,就需要DSP對數位訊號進行「修復」,DSP是運行演算法的晶片,有數位時脈恢復和色散補償功能(去除雜訊、非線性干擾等因素),可對抗和補償失真,減少失真對系統誤碼率的影響。(註:並非所有傳統光學模組都有DSP,但在高速光模組中,訊號要求較高,所以基本上需要DSP。)

除了DSP之外,光學模組中的主要電氣晶片還包括雷射驅動器(LDD)、跨阻放大器(TIA)、限幅放大器(LA)以及時脈和資料恢復晶片(CDR);CDR也用於資料復原,它從接收的訊號中提取資料序列,並恢復出與資料序列對應的時脈時序訊號,從而恢復接收到的特定資訊。DSP的功能非常強大。但它也存在功耗和成本較高的問題。


LPO方案是將光學模組中的DSP/CDR晶片取出,將相關功能整合到設備的交換晶片中,光模組中只留下了線性度較高的驅動晶片和TIA(Trans-Impedance Amplifier),分別整合了CTLE(連續時間線性等化)和EQ(Equalization, 等化)功能,用以在某種程度上補償高速訊號。


LPO (Linear-drive Pluggable Optics) 技術提供以下優勢:


低功耗 (Low power consumption):

LPO 光學模組的功耗相比可插拔光學模組減少約50%,透過線性驅動解決方案,矽光子和垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)的功耗也減少約50%,有效降低了內部元件的發熱。


低成本 (Low cost):

LPO (Linear-drive Pluggable Optics) 技術成本較低,由於DSP 價格較高,但它們在 400G 光學模組的材料清單(BOM)成本中佔約20%到40%;在 LPO 解決方案中,驅動器和 TIA 整合了EQ功能,讓光學模組的整體成本大幅降低。


低延遲 (Low latency):

透過消除 DSP,並利用具有EQ功能的高線性 TIA 和 DRIVER 晶片,系統可以減少訊號恢復時間,將延遲顯著降低到甚至皮秒 (picosecond) 級別。


可插拔式 (Pluggable):

在 LPO (Linear-drive Pluggable Optics) 解決方案中,光學模組的封裝形式沒有發生顯著變化,採用了可插拔設計,允許輕鬆插入和拆除光學模組,這使得光纖連接更加靈活和方便,這樣的設計讓過去的交換機設備可以直接沿用,而不需汰換,簡化了光纖布線和設備維護,使系統易於管理和維護。

LPO (Linear-drive Pluggable Optics) 技術優勢
LPO (Linear-drive Pluggable Optics) 技術優勢

LPO 線性驅動可插拔光學 (Linear-drive Pluggable Optics) 技術優勢


LPO 線性驅動可插拔光學 (Linear-drive Pluggable Optics) 是一種平衡與妥協的技術,它適用於特定的應用場景(短距離),放棄了DSP/CDR,導致效能(誤碼率)略有損失;然而,它也降低了功耗、成本和延遲,它與 CPO 相比具有不同的優點和缺點,雖然它比CPO出現得晚,但它的部署會比CPO更快;此外,要實現LPO,需要將 DSP 晶片整合到交換機中,這需要交換器晶片製造商的參與,LPO 概念也激起了 Broadcom 和 Inphi 等DSP晶片製造商之間的競爭。 (延伸閱讀:CPO 共同封裝的架構介紹)



總之,LPO 線性驅動可插拔光學 (Linear-drive Pluggable Optics) 技術提供低功耗、低成本、低延遲和熱插拔能力的優勢,這些優點使其成為未來高速光通訊、智慧運算中心和雲端資料中心的靈活高效光連接解決方案,預計將成為光學模組市場的主要成長驅動因素。


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