大家好，我是小棗君。
今天這篇文章，我們來(lái)聊一個(gè)最近非?；鸬墓馔ㄐ鸥拍?——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。
█ 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(wèn)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(wèn)題。
速率提升就像汽車(chē)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)力的排量越大，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(hù)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(mǎn)載的話(huà)，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)。
為了解決光通信速率攀升帶來(lái)的能耗問(wèn)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。
CPO 我之前專(zhuān)門(mén)進(jìn)行過(guò)介紹（鏈接：到底什么是 NPO / CPO？），這里就不再詳細(xì)講了。
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(chēng)叫 Linear-drive Pluggable Optics，即線(xiàn)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(xiàn)性驅(qū)動(dòng)（Linear-drive）了。
所謂“線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)”，是指 LPO 采用了線(xiàn)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(wèn)題來(lái)了 —— 什么是線(xiàn)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(kāi)始講起。
在之前介紹相干光技術(shù)（鏈接）的時(shí)候，小棗君提到過(guò)，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。
如下圖所示：
█ 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(méi)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
這個(gè)也不用說(shuō)了。前面提到 DSP 的 BOM 成本約占 20-40%，這個(gè)就沒(méi)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(chǎng)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(chǎng)商的依賴(lài)。
低時(shí)延
沒(méi)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) 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(méi)有顯著改變，支持熱插拔，簡(jiǎn)化了光纖布線(xiàn)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?xún)?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(méi)有實(shí)力駕馭，那么，可能存在“問(wèn)題較難界定，相互扯皮”的問(wèn)題，還不如使用傳統(tǒng) DSP 方案。
此外，也有專(zhuān)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(zhuān)家們認(rèn)為，LPO 沒(méi)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(méi)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(hù)，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)。
目前，中際旭創(chuàng)、新易盛、劍橋科技等公司，均推出了 800G LPO 解決方案。近期，應(yīng)該已有企業(yè)實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模出貨。
LPO 方案的關(guān)鍵，還是在于芯片。高線(xiàn)性度 TIA&Driver 的主要供應(yīng)商，有 Macom、Semtech、美信等。
根據(jù)預(yù)測(cè)，2024 年，LPO 將實(shí)現(xiàn)規(guī)模商業(yè)化。行業(yè)里比較樂(lè)觀(guān)的機(jī)構(gòu)認(rèn)為，未來(lái) LPO 能占據(jù)一半的市場(chǎng)份額。保守一些的機(jī)構(gòu)則認(rèn)為，CPO / LPO 的份額將在 2026 年達(dá)到 30% 左右。。
█ 結(jié)語(yǔ)
好啦，以上就是關(guān)于 LPO 的介紹。
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(xiàn)。
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)。
—— The End ——
參考文獻(xiàn)：
1、《硅光在新一代 PON、800G 互聯(lián)和相干下沉應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化》，潘棟；
2、《AI 時(shí)代的光通信機(jī)遇和挑戰(zhàn)》，李俊杰；
3、《LPO vs CPO 誰(shuí)將主宰未來(lái)數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)》，薛振峰；
4、《800G 光模塊，AI 算力底座》，興業(yè)證券；
5、《AI 算力時(shí)代，光模塊新技術(shù)演進(jìn)路徑》，長(zhǎng)城證券；
6、《LPO 技術(shù)是 800G 時(shí)代最具潛力路線(xiàn) 有望在 2024 年底迎來(lái)量產(chǎn)》，國(guó)盛證券；
7、《揭秘智算中心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)新利器：LPO 技術(shù)的出現(xiàn)》，銳捷網(wǎng)絡(luò)；
8、《線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)光模塊專(zhuān)家交流會(huì)紀(jì)要》。
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