光通信新技术：什么是LPO？

9/27/2023，光纤在线讯，从2023年3月OFC起，LPO成为了行业非常火热的技术，到2023年9月CIOE，各光模块厂商纷纷DEMO展示400G及800G ，本篇详细介绍光模块新方案——LPO

近年来，光通信产业的发展势头很猛，在5G、宽带中国、东数西算等国家战略的持续刺激下，国内光通信技术取得了巨大突破，光基础设施也有了质的飞跃。特别是今年，AIGC大模型爆火，智算和超算崛起，更是带动了光通信的新一波发展热潮。骨干网400G即将全面落地，数据中心800G和1.6T也跃跃欲试。


OSPF的演进（来源：Arista Network）

光通信演进的挑战
其实，光通信的技术迭代，并不是简单的数字翻倍。进入400G阶段后，我们要解决的问题，不仅仅是速率的提升，更包括高速率所带来的功耗和成本问题。速率提升就像汽车运货。当运载的货物越来越重，就需要升级发动机。而发动机的排量越大，油耗就越大，发动机价格和油费也会越多。

我们就以光模块为例。

作为光网络的关键器件，也是用得最多的器件，光模块一直以来都是行业关注的焦点。它的功耗和价格，和用户采购意愿息息相关。早在2007年的时候，一个万兆（10Gbps）的光模块，功率才1W左右。随着40G、100G、400G、800G的迭代，光模块的功耗一路飙升，直逼30W。

要知道，一个交换机可不止一个光模块。满载的话，往往就有几十个光模块（假如有48个，就是48×30=1440W）。一般来说，光模块的功耗大约占整机功耗的40%以上。这就意味着，整机的功耗极大可能会超过3000W。

光通信设备的能耗激增，也给整个数据中心的能耗及成本带来了巨大的压力，极不利于通信网络的双碳目标。


相比2010年，光器件能耗将增加26倍。（图片来自思科）

为了解决光通信速率攀升带来的能耗问题，行业进行了大量的技术探索。去年很火的CPO，就是解决方案之一。今年，在CPO之外，行业又提出了一个新方案，这就是——LPO。

什么是LPO
LPO，英文全称叫Linear-drive Pluggable Optics，即线性驱动可插拔光模块。从名字可以看出，它是一种光模块封装技术。所谓“可插拔（Pluggable）”，我们平时看到的光模块，都是可插拔的。如下图所示，交换机上有光模块的端口，把对应的光模块插进去，就能插光纤了。如果坏了，也可以换。



LPO强调“可插拔”，是为了和CPO方案相区分。CPO方案里，光模块是不可以插拔的。光模块（光引擎）被移动到了距离交换芯片更近的位置，直接“绑”在一起了


那么，LPO和传统光模块的关键区别，就在于线性驱动（Linear-drive）了。所谓“线性驱动”，是指LPO采用了线性直驱技术，光模块中取消了DSP（数字信号处理）/CDR（时钟数据恢复）芯片。

问题来了——什么是线性直驱呢？DSP发挥什么作用？为什么可以被取消？取消之后，会带来什么影响？

这里，我们还是先从光模块的基本架构开始讲起。光模块传输，就是电信号变成光信号，光信号又变成电信号的过程。


在发送端，信号经过数模转换（DAC），从数字信号变成模拟信号。在接收端，模拟信号经过模数转换（ADC），又变成数字信号。一顿操作下来，得到的数字信号就有点乱，有点失真。这时候，需要DSP，对数字信号进行“修复”。

DSP就是一个跑算法的芯片。它拥有数字时钟恢复功能、色散补偿功能（去除噪声、非线性干扰等因素影响），可以对抗和补偿失真，降低失真对系统误码率的影响。



（注意：DSP这个东西，也不是所有的传统光模块都有。但是，在高速光模块中，对信号要求高，所以基本需要DSP。）

除了DSP之外，光模块中主要的电芯片还包括激光驱动器（LDD）、跨阻放大器（TIA）、限幅放大器（LA）、时钟数据恢复芯片（CDR，Clock and Data Recovery）等。CDR也是用于数据还原。它从接收到的信号中提取出数据序列，并且恢复出与数据序列相对应的时钟时序信号，从而还原接收到的具体信息。

DSP的功能很强大。但是，它的功耗和成本也很高。例如，在400G光模块中，用到的7nm DSP，功耗约为4W，占到了整个模块功耗的50%左右。



从成本的角度来看，400G光模块中，DSP的BOM（Bill of Materials，物料清单）成本约占20-40%。LPO方案，就是把光模块中的DSP/CDR芯片干掉，将相关功能集成到设备侧的交换芯片中。

光模块中，只留下具有高线性度的Driver（驱动芯片）和TIA（Trans-Impedance Amplifier，跨阻放大器），并分别集成CTLE（Continuous Time Linear Equalization，连续时间线性均衡）和EQ（Equalization，均衡）功能，用于对高速信号进行一定程度的补偿。



LPO的优点
LPO的优点，归纳来说，就是：低功耗、低成本、低延时、易维护。

低功耗
没有了DSP，功耗肯定是下降了。根据Macom的数据，具有DSP功能的800G多模光模块的功耗可超过13W，而利用MACOM PURE DRIVE技术的800G多模光模块功耗低于4W。

低成本
DSP的BOM成本约占20-40%，这个就没有了。Driver和TIA集成了EQ，成本略有增加，但整体还是下降的。有业界机构分析：800G光模块中，BOM成本约为600~700美金，DSP芯片的成本约为50~70美金。Driver和TIA里集成了EQ功能，成本会增加3~5美金。算下来，系统总成本可以下降大约8%，大约50~60美金。值得一提的是，DSP也是博通、Inphi等少数厂商所掌握的技术。取消了DSP，从某种程度上来说，也减少了对少数厂商的依赖。

低时延
没有了DSP，减少了一个处理过程，数据的传输时延也随之下降。这个优点，对于AI计算和超级计算场景尤为重要。

易维护
这是相对于CPO方案来说的。CPO方案中，如果系统中任何一个器件坏了，就要下电，把整个板子换掉，维护起来很不方便。LPO的封装没有显著改变，支持热插拔，简化了光纤布线和设备维护，使用上更加方便。

LPO的当前挑战
通信距离短
去掉DSP，当然还是有代价的。TIA和Driver芯片并不能完全替代DSP，所以，会导致系统的误码率提升。误码率高了，传输距离自然就短了。行业普遍认为，LPO只适用于特定的短距离应用场景。例如，数据中心机柜内服务器到交换机的连接，以及数据中心机柜间的连接等。发展初级的LPO，连接距离从几米到几十米。未来，可能会拓展到500米以内。

标准化刚起步
目前，LPO的标准化还处于早期阶段，在互联互通上可能会存在一些挑战。对于企业来说，如果采用LPO，那么，需要具备一定的技术能力，能够制定技术规格和方案，能够探索设备和模块的边界条件，能够进行大量的集成、互联互通测试。

换言之，LPO目前更适合较为封闭和供应商单一的系统。如果采用多供应商，自己又没有实力驾驭，那么，可能存在“问题较难界定，相互扯皮”的问题，还不如使用传统DSP方案。此外，也有专家指出，LPO给系统侧的电通道设计带来了一定挑战。目前SerDes主流规格是112G，很快将升级到224G。专家们认为，LPO没办法跟上224G SerDes的要求。

LPO的产业化进展
LPO方案其实之前就有企业提出过，但是因为技术限制，没有做出什么成果。今年的OFC大会上，LPO再次被提出，很快成为行业关注的焦点。AWS、Meta、微软、谷歌等国际市场主要客户，都对LPO表示了兴趣。众多光通信巨头，也纷纷投入资源进行研发。

LPO方案的关键，还是在于芯片。高线性度TIA&Driver的主要供应商，有Macom、Semtech、美信等.根据预测，乐观的认为：2024年，LPO将实现规模商业化,未来LPO能占据一半的市场份额。有些则认为，CPO/LPO的份额将在2026年达到30%左右。

结语
LPO的逻辑本质，就是平衡和取舍。它基于特定的应用场景（短距离），舍弃了DSP/CDR，牺牲了一点性能（误码率），但是，换来了更低的功耗、成本和时延。




它和CPO各有所长，虽然诞生的时间比CPO更晚，但落地的速度，会比CPO更快。按目前的趋势，LPO将是800G时代最具潜力的技术路线。随着AIGC浪潮的发展，数据中心光网络将加速向800G演进。LPO的黄金时代，即将到来。


来源鲜枣课堂