LPO光模块,Linear drive Pluggable Optics,线性(直接)驱动热插拔光模块。
这类光模块对比的是含有DSP芯片的热插拔光模块。
从上实际九十年代互联网技术的发展,推动光纤通信技术的大规模部署,用于光纤通信的光电转换接口作用的光模块逐渐成为产业链中的一个重要细分市场。
光通信产业支持光模块采用热插拔方式与系统板互联
有几个原因,一个是当时的光模块技术受限,其失效率较高,面临着如何快速维护与更换模块的问题,其次是客户无论购买哪一家的光模块,都支持标准化接入。
热插拔方式,即插即用,无需系统断电。
要实现即插即用,光模块需要放在交换机的面板侧,而不能放到内部。这会导致一个问题,系统主芯片与前面板即插即用的光模块的信号线比较长。
这是前提。
互联网刚刚起步的时候,光模块的速率1Gbps就挺高了。到后来网络通信流量越来越大,光模块的容量也越来越大。
2009年,10Gbps的光模块商用
2012年,40Gbps光模块商用,4x10G
2015/2016年,100Gbps以太网光模块商用,4x25G
2019/2020年,400Gbps光模块商用,8x50G,或者4x100G
2023年,800Gbps光模块商用,8x100G
光模块的功耗越来越大,信号速率越来越高。
光模块的功耗,尤其是从400G开始,非常大。有两个原因。
第一个原因,100G光模块是4x25G NRZ的信号格式,400G是8x56Gbps PAM4的格式,这个格式的变化,传统的电芯片很难处理。PAM4需要将信噪比标准提高,噪声降低到原来的1/3,这个信号的处理修复与增强,就引入了DSP技术。
DSP,叫数字信号处理。将传统的模拟量进行数字化采样后,通过大量的数学算法将PAM4的信号做修复补偿增强,以便满足通信要求。
400G的4x112Gbps(100Gbps是业务码,另外插入码型做纠错,合起来是112Gbps, 有时候也叫做4x100Gbps)
800Gs 8x112Gbps,未来会考虑4x224Gbps。
除了PAM4的信号比较难处理外,信号速率的提升,C2M电信号(就是系统芯片Chip到光模块Module)的损耗随信号速率与带宽的增大而增大。这是金属导线的趋肤效应。
原本PAM4的信号格式就比NRZ难处理,现在电信号的损耗增加,那么信号劣化更严重,DSP需要更复杂的功能与算法来做信号修复,补偿,前向纠错增强....
增加DSP,虽然对信号质量有帮助,但也导致功耗翻番。DSP里边集成了数以亿计的晶体管来做算法。
写到这里,就是通信容量不断提高,信号速率不断提高,编码格式效率提升导致复杂度提高.....,引入了DSP来处理高速信号与复杂编码格式。
引入DSP,增加成本是肯定的,但不是致命的。DSP大功耗导致了高速光模块功耗翻倍,而功耗翻倍导致光模块的内部温度升高。
内部温度升高,光电芯片都很有压力,尤其是激光器对高温十分敏感,在目前产业常用激光器,每升高10℃,就会降低70%寿命。
激光器的处理,条件允许的话,会加一个TEC来给激光器降温。
TEC给激光器降温,保住了激光器寿命,但TEC增加了光模块的功耗。这些热量会反过来影响其他光学电学芯片的工作温度。
在传统交换机里,增大风扇功率与转速,光模块与笼子,增加各式各样的热沉(散热片,散热鳍),来尽量降低光模块的内部温度。
增加的这些的散热鳍热沉,能降低一些芯片的工作温度,但也有限的降低。
这时候,就提出一种降功耗的思路,LPO,把DSP拿出去,光模块不就减少一半热量么。多好
这就是LPO,线性直接驱动热插拔光模块,可取消DSP,这些信号处理的功能不能完全丢掉,而是将这部分的功能挪给系统板,让系统板的主芯片增加DSP这部分的修复增强纠错的功能。
这个思路,挺好的。
核心目标是去掉DSP,VCSEL的多模模块,EML的单模模块,硅光并行方案或者WDM波分方案,都不重要,把原来放在光模块里的DSP这个功耗大户移出去,其中一部分功能交给系统芯片来完成。
虽然但是吧,
虽然,800Gbps的光模块预计LPO方案功耗为6W,1.6T可从 传统的含大沟道尺寸(如5nm DSP)的30W降低到10W左右。
虽然,光模块里的DSP的功能的其中一部分交由系统芯片来做。
但是,去掉DSP后的LPO光模块的性能依然受到限制,尤其是从100Gbps/ch向200Gbps/ch发展的路上,信号质量劣化非常严重。
后来的LPO,考虑去掉光模块内部DSP来降低功耗,并牺牲一部分性能。同时也考虑再把DSP请回来一半,这就是LRO。
也就是之前把DSP的Tx、Rx两侧的信号处理都抛弃,后来发现性能劣化严重,现在的LPO标准,又增加了一个LRO的选项,就是去掉Rx侧的DSP功能,把Tx侧DSP功能重新用起来。
再回到LPO这个模块的初心,回到原点。
因为光模块的速率提升,码型格式变为PAM4,2015年左右光模块方案增加了DSP芯片,导致了光模块功耗倍增,内部温度升高,光电芯片寿命岌岌可危。2021-2024年产业考虑去掉DSP芯片并牺牲一些性能,来降低模块功耗,降低光模块内部的工作温度。
重新梳理一下这个问题的逻辑
因为光模块的速率提升,码型格式变为PAM4,2015年左右光模块方案增加了DSP芯片,导致了光模块功耗倍增,内部温度升高,光电芯片寿命岌岌可危。2021-2024年产业(考虑去掉DSP芯片)(并牺牲一些性能),来降低模块功耗,降低光模块内部的工作温度。这是LPO的思路
去掉DSP芯片,并不是唯一降低光模块内部工作温度的方式。
牺牲性能,同样也不是解决上述困难的唯一路径。
CPO的思路是去掉DSP,且不不牺牲性能,CPO牺牲的是前面板即插即用这个功能。
液冷技术,则是保留DSP的前提下,降低光模块的内部工作温度。
所谓的液冷,通过制冷液给机柜内的高热温区做快速热交换来降低温度。相比较传统的风冷技术,液冷可支持更大功耗的模块正常工作。
液冷,有浸没式液冷,有管道式液冷,阿里用浸没式,英伟达用的管道式。管道式,交换机有冷液体入口,以及热交换后的液体出口。
管道式液冷,液冷管可以在笼子上方,也可以在光模块上方。
CPO、LPO与传统热插拔模块的市场占比.....,后续展开细聊