近年來，光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢頭很猛。

在5G、寬帶中國、東數(shù)西算等國家戰(zhàn)略的持續(xù)刺激下，國內(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。

OSPF的演進（來源：Arista Network）

█ 光通信演進的挑戰(zhàn)

其實，光通信的技術(shù)迭代，并不是簡單的數(shù)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(fā)動機。而發(fā)動力的排量越大，油耗就越大，發(fā)動機價格和油費也會越多。

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，光模塊一直以來都是行業(yè)關(guān)注的焦點。它的功耗和價格，和用戶采購意愿息息相關(guān)。

光模塊

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(shè)備的能耗激增，也給整個數(shù)據(jù)中心的能耗及成本帶來了巨大的壓力，極不利于通信網(wǎng)絡(luò)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(yè)進行了大量的技術(shù)探索。

去年很火的CPO，就是解決方案之一。

CPO我之前專門進行過介紹（鏈接：到底什么是NPO/CPO？），這里就不再詳細講了。

今年，在CPO之外，行業(yè)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(qū)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(shù)。

所謂“可插拔（Pluggable）”，我們平時看到的光模塊，都是可插拔的。

交換機上有光模塊的端口，把對應(yīng)的光模塊插進去，就能插光纖了。如果壞了，也可以換。

LPO強調(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，就在于線性驅(qū)動（Linear-drive）了。

所謂“線性驅(qū)動”，是指LPO采用了線性直驅(qū)技術(shù)，光模塊中取消了DSP（數(shù)字信號處理）/CDR（時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)）芯片。

問題來了——什么是線性直驅(qū)呢？DSP發(fā)揮什么作用？為什么可以被取消？取消之后，會帶來什么影響？

這里，我們還是先從光模塊的基本架構(gòu)開始講起。

在之前介紹相干光技術(shù)（鏈接）的時候，小棗君提到過，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(fā)送端，信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC），從數(shù)字信號變成模擬信號。在接收端，模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC），又變成數(shù)字信號。

一頓操作下來，得到的數(shù)字信號就有點亂，有點失真。這時候，需要DSP，對數(shù)字信號進行“修復(fù)”。

DSP就是一個跑算法的芯片。它擁有數(shù)字時鐘恢復(fù)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(tǒng)誤碼率的影響。

DSP的各種補償和估算

DSP各模塊的作用

（注意：DSP這個東西，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(qū)動器（LDD）、跨阻放大器（TIA）、限幅放大器（LA）、時鐘數(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)序列相對應(yīng)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。

光模塊的功耗組成

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(guān)功能集成到設(shè)備側(cè)的交換芯片中。

光模塊中，只留下具有高線性度的Driver（驅(qū)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(xù)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。

如下圖所示：

█ LPO的優(yōu)點

LPO的優(yōu)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(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

這個也不用說了。前面提到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(yè)界機構(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，成本會增加3~5美金。算下來，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)廠商所掌握的技術(shù)。取消了DSP，從某種程度上來說，也減少了對少數(shù)廠商的依賴。

低時延

沒有了DSP，減少了一個處理過程，數(shù)據(jù)的傳輸時延也隨之下降。

這個優(yōu)點，對于AI計算和超級計算場景尤為重要。

易維護

這是相對CPO方案來說的。

CPO方案中，如果系統(tǒng)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(shè)備維護，使用上更加方便。

█LPO的當前挑戰(zhàn)

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(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)普遍認為，LPO只適用于特定的短距離應(yīng)用場景。例如，數(shù)據(jù)中心機柜內(nèi)服務(wù)器到交換機的連接，以及數(shù)據(jù)中心機柜間的連接等。

發(fā)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(nèi)。

標準化剛起步

目前，LPO的標準化還處于早期階段，在互聯(lián)互通上可能會存在一些挑戰(zhàn)。 對于企業(yè)來說，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，能夠進行大量的集成、互聯(lián)互通測試。 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(tǒng)DSP方案。 此外，也有專家指出，LPO給系統(tǒng)側(cè)的電通道設(shè)計帶來了一定挑戰(zhàn)。目前SerDes主流規(guī)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(chǎn)業(yè)化進展

LPO方案其實之前就有企業(yè)提出過，但是因為技術(shù)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(yè)關(guān)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(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)實現(xiàn)了小規(guī)模出貨。

LPO方案的關(guān)鍵，還是在于芯片。高線性度TIA&Driver的主要供應(yīng)商，有Macom、Semtech、美信等。

根據(jù)預(yù)測，2024年，LPO將實現(xiàn)規(guī)模商業(yè)化。行業(yè)里比較樂觀的機構(gòu)認為，未來LPO能占據(jù)一半的市場份額。保守一些的機構(gòu)則認為，CPO/LPO的份額將在2026年達到30%左右。。

█結(jié)語

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。

方案優(yōu)缺點的對比

按目前的趨勢，LPO將是800G時代最具潛力的技術(shù)路線。

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。LPO的黃金時代，即將到來。

審核編輯：劉清