Was ist LPO, NPO, CPO? Kenntnisse über optische Verbindungstechnologien

Der Aufstieg von LPO, NPO, CPO

Was ist LPO? Linearantrieb mit steckbarer Optik

LPO (Linear-drive Pluggable Optics) ist eine innovative Technologie zur Gehäusekonstruktion optischer Module, die 2022 von Macom und NVIDIA vorgestellt wurde. Ihr Kerngedanke besteht darin, auf herkömmliche digitale Signalverarbeitungs- (DSP) und Taktdatenwiederherstellungs-Chips (CDR) in optischen Modulen zu verzichten und stattdessen eine rein analoge, lineare Direktantriebs-Verbindung zu realisieren. Dieses Design adressiert direkt den hohen Stromverbrauch und die hohe Latenz, die durch DSP-Chips verursacht werden, und ist daher ideal für Anwendungen mit kurzen Distanzen und hohen Leistungsanforderungen geeignet.

Funktionsprinzip der LPO

Im Gegensatz zu herkömmlichen Hochgeschwindigkeits-Verbindungslösungen, die auf DSP und CDR zur Signalentzerrung, Zeitanpassung und Kompensation angewiesen sind, vereinfacht LPO den Signalverarbeitungspfad:

● Sender: Ein Treiberchip mit hoher Linearität steuert direkt den optischen Modulator an und wandelt elektrische Signale ohne digitale Verarbeitung in optische Signale um.

● Empfänger: Ein Transimpedanzverstärker (TIA) mit hoher Linearität führt die photoelektrische Wandlung und Signalverstärkung durch und erhält dabei den analogen Signalweg aufrecht.

● Signalkompensation: Die ursprünglich vom DSP des Moduls übernommenen Aufgaben der Signalentzerrung und -kompensation werden an den SerDes (Serialisierer/Deserialisierer) der Host-seitigen xPU übertragen, was höhere Anforderungen an die Fähigkeiten der xPU zur Verarbeitung analoger Signale stellt.

Wichtigste Vorteile von LPO

● Geringer Stromverbrauch: Durch den Wegfall des DSP-Chips wird der Stromverbrauch des Moduls um 30–50 % reduziert, im Vergleich zu herkömmlichen DSP-Lösungen sogar um mehr als 50 %. Dies ist ein entscheidender Vorteil für Rechenzentren, die ihre Energiekosten senken und den PUE-Wert optimieren möchten.

● Geringe Kosten: DSP-Chips machen 20–40 % der Materialkosten herkömmlicher optischer Module aus. Der Wegfall des DSP reduziert die Gesamtkosten erheblich, selbst bei geringfügig höheren Kosten durch die Integration der EQ-Funktionalität in Treiber und TIAs.

● Niedrige Latenz: Durch das Weglassen der DSP-Verarbeitungsverbindung verkürzt LPO den Signalübertragungsweg und reduziert so die Latenz – eine wichtige Voraussetzung für die HPC-Inter-GPU-Kommunikation und andere Szenarien mit niedriger Latenz.

● Einfache Wartung: LPO behält das traditionelle modulare Design der optischen Komponenten bei und unterstützt Hot-Swapping. Defekte Module können ausgetauscht werden, ohne den Systembetrieb zu unterbrechen, wodurch Ausfallzeiten minimiert werden.

Herausforderungen für LPO

● Begrenzte Übertragungsdistanz: Ohne die Entzerrungs- und Fehlerkorrekturfunktionen des DSP weist LPO eine höhere Bitfehlerrate und eine kürzere Übertragungsdistanz auf, üblicherweise nur wenige Meter bis einige zehn Meter (voraussichtlich wird sich dies zukünftig auf 500 m erweitern).

● Unausgereifte Standardisierung: Die Standardisierung von LPO befindet sich noch in einem frühen Stadium und weist eine geringe Kompatibilität zwischen verschiedenen Anbietern auf. Sie eignet sich derzeit eher für geschlossene Systeme eines einzelnen Anbieters.

● Anforderungen an das Design des elektrischen Kanals: LPO ist stark von der Linearität und der analogen Performance der hostseitigen SerDes abhängig. Mit dem Übergang der SerDes-Geschwindigkeiten von 112 Gbit/s auf 224 Gbit/s wird die Aufrechterhaltung der Verbindungsstabilität zu einer großen technischen Herausforderung.

Was ist NPO? Nahezu gehäuselose Optiken

NPO (Near-Packaged Optics) ist eine hochintegrierte optische Verbindungslösung, die zwischen herkömmlichen steckbaren optischen Modulen und CPO (Composite Optical Platform) angesiedelt ist. Als Übergangslösung für CPO besteht ihr Kernkonzept darin, die optische Einheit und den xPU-Chip (GPU, NPU, Schaltchip) nebeneinander auf derselben Hochleistungs-Leiterplatte oder demselben organischen Substrat zu platzieren und sie über extrem kurze Hochgeschwindigkeits-Leiterbahnen (üblicherweise innerhalb weniger Zentimeter) zu verbinden, wobei die Kanaldämpfung unter 13 dB gehalten wird.

Merkmale von gemeinnützigen Organisationen

NPO bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Integration und Wartungsfreundlichkeit. Im Gegensatz zu CPO, bei dem die optische Einheit und die xPU in einem Gehäuse integriert sind, bleiben diese bei NPO separat verpackt. Dadurch werden die komplexen Gehäuseprobleme von CPO vermieden und gleichzeitig die Leistungsengpässe herkömmlicher Steckmodule überwunden. Auf der OFC 2026 kündigten führende Cloud-Anbieter wie Google gemeinsam ihre Pläne zur Einführung von NPO an und bestätigten damit dessen Status als bevorzugte Lösung für Verbindungen innerhalb und zwischen Serverschränken von 2026 bis 2027.

Wichtigste Vorteile von gemeinnützigen Organisationen

● Hohe Bandbreite und geringe Verluste: Der kurze Signalweg reduziert Dämpfung und Übersprechen erheblich und ermöglicht so eine Übertragung mit hoher Bandbreite ( 800G und mehr), ohne auf komplexe DSP-Kompensation angewiesen zu sein. Dadurch wird eine hohe Signalintegrität gewährleistet.

● Überlegenes Wärmemanagement: Die separate Unterbringung der optischen Einheit und der xPU verhindert, dass die optischen Komponenten der hohen Wärmeentwicklung des GPU-Kerns ausgesetzt werden. Dadurch werden Wellenlängendrift und Leistungsschwankungen vermieden und ein flexibles Wärmedesign ermöglicht.

● Einfache Wartung und hohe Austauschbarkeit: Die einzeln verpackte optische Einheit kann bei Defekten einzeln ausgetauscht werden, ohne dass der gesamte xPU-Chip ersetzt werden muss. Dies reduziert Wartungskosten und -aufwand.

● Ausgereift und risikoarm: Im Vergleich zu CPO erfordert NPO keine bahnbrechenden Entwicklungen im Bereich 3D-Packaging und anderer Spitzentechnologien, was zu geringeren technischen Risiken und einer schnelleren Massenproduktion führt. Chinesische Anbieter wie Huagong Technology haben optische 3,2-T-NPO-Module auf den Markt gebracht, die von Google und Microsoft getestet wurden und bereits bei wichtigen Kunden im Einsatz sind.

Herausforderungen für gemeinnützige Organisationen

● Eingeschränkte Integration: Im Vergleich zu CPO benötigt NPO weiterhin eine Substratverdrahtung für elektrische Verbindungen, was zu einer geringeren Integrationsdichte und der Unfähigkeit führt, den kürzestmöglichen Übertragungsweg zu erreichen.

● Leistungsengpässe bei hohen Geschwindigkeiten: In Hochgeschwindigkeitsszenarien mit 1,6T/3,2T steigen die elektrischen Verbindungsverluste und der Stromverbrauch, was Verbesserungen bei Materialien, Verkabelung und Schnittstellenstandards erfordert.

●  Latenzsynchronisation: Obwohl die Latenz geringer ist als bei herkömmlichen Modulen, ist bei ultra-großen Verbindungen ein Ausgleich von Latenz und Gleichmäßigkeit zwischen den NPO-Modulen erforderlich, um eine Synchronisation auf Systemebene zu gewährleisten.

Was ist CPO? Co-Packaged Optics (Ko-verpackte Optik)

CPO (Co-Packaged Optics) ist eine hochintegrierte elektrooptische Verbindungstechnologie, die aus NPO weiterentwickelt wurde. Ihr Kern besteht darin, die optische Einheit direkt mit dem Schaltchip ( ASIC ) oder dem Rechenchip (xPU) in einem gemeinsamen Gehäuse zu integrieren. Dadurch entfällt die herkömmliche, steckbare Schnittstelle des optischen Moduls zur Hauptplatine. Dies verkürzt den elektrischen Signalübertragungsweg von wenigen Zentimetern auf Millimeter und optimiert so grundlegend Signalintegrität, Stromverbrauch und Latenz.

Insbesondere die ausgereifte Siliziumphotonik-Technologie bildet die Grundlage für die Entwicklung von CPO – sie bietet CPO eine hochintegrierte, energiearme und kostengünstige optische Engine-Lösung und fördert so den schnellen Fortschritt der CPO-Technologie.

Struktur und Funktionsprinzip von CPO

Ein typisches CPO-System besteht aus einem elektrischen Chip, einem optischen Modul, einem Silizium-Interposer und einer Glasfaserschnittstelle und funktioniert wie folgt:

● Übertragung: Der SerDes im Elektronikchip gibt Hochgeschwindigkeitssignale aus, die über Mikro-Bump-Verbindungen auf dem Interposer an die optische Einheit übertragen werden. Der Treiberchip steuert den optischen Modulator zur elektrooptischen Wandlung an, und das optische Signal wird über Glasfaser übertragen.

● Empfang: Das optische Signal wird mittels eines Fotodetektors in ein elektrisches Signal umgewandelt, durch einen TIA verstärkt und dann über Mikro-Bump-Verbindungen zur Dekodierung zurück an den elektrischen Chip übertragen.

Basierend auf der Gehäusetiefe wird CPO in drei Typen unterteilt: Typ A (2,5D-Gehäuse, elektrische Verbindungslänge ≤10 cm), Typ B (2,5D-Gehäuse auf Wafer-Ebene, höhere Dichte) und Typ C (3D-Vertikalstapelung, Verbindungen im Millimeterbereich, höchste Integrationsform).

Wichtigste Vorteile von CPO

● Extrem hohe Bandbreite und geringer Stromverbrauch: Der Signalpfad im Millimeterbereich unterstützt Hochgeschwindigkeitsverbindungen von 1,6 T bis über 3,2 Tbit/s pro Port. Laut Broadcom kann CPO den Stromverbrauch um mehr als 50 % reduzieren, wobei der Stromverbrauch pro Bit von 15–20 pJ/Bit (herkömmliche Module) auf 5–10 pJ/Bit sinkt.

● Hochdichte Verbindung: Durch die Integration der optischen Einheit in das Gehäuse wird Platz auf der Vorderseite frei, wodurch die I/O-Dichte von Switches und GPU-Systemen deutlich erhöht wird, was für hochdichte Rechenzentren von entscheidender Bedeutung ist.

● Extrem niedrige Latenz und hohe Zuverlässigkeit: Durch den Wegfall elektrischer Zwischenverbindungen und der DSP-Kompensation wird die Latenz reduziert, gleichzeitig wird die Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI) verringert, wodurch eine stabile Signalübertragung gewährleistet wird.

● Optimierte Systemenergieeffizienz: Das hochintegrierte Design reduziert die Umwandlungsverluste und senkt den Gesamt-PUE von Rechenzentren. Dadurch eignet es sich ideal für KI-Trainingscluster und ultra-große Vermittlungsanlagen.

Herausforderungen für den CPO

● Hohe Komplexität der Gehäusekonstruktion: Die optoelektronische Co-Gehäusekonstruktion stellt extrem hohe Anforderungen an das Wärmemanagement, die mechanische Stabilität und die Gehäuseausbeute, was zu höheren Herstellungskosten als bei herkömmlichen optischen Modulen führt.

● Schlechte Wartungsfreundlichkeit: Die enge Integration des optischen Systems und des elektrischen Chips bedeutet, dass bei einem Ausfall einer einzigen optischen Komponente das gesamte System ausgetauscht werden muss, was die Wartungskomplexität und -kosten erhöht.

● Unreifes Ökosystem: CPO erfordert neue optoelektronische Gehäusestandards, Testsysteme und automatisierte Fertigungsprozesse und befindet sich derzeit in einem frühen Stadium der Industrialisierung. Die Markteinführung ist im 1,6T-Zeitalter noch nicht dringlich, da herkömmliche steckbare Module nach wie vor die meisten Industrieanforderungen erfüllen.

LPO vs. NPO vs. CPO: Wie wählt man die richtige Technologie?

LPO, NPO und CPO schließen sich nicht gegenseitig aus – sie ergänzen sich und zielen auf unterschiedliche Anwendungsszenarien ab und bilden so ein komplettes technisches System für optische Verbindungen der nächsten Generation:

●  LPO: Der Fokus liegt auf Kosteneffizienz und geringer Latenz. Es eignet sich für Kurzstreckenverbindungen (innerhalb eines Rechnerschranks), wie z. B. die Kommunikation zwischen GPUs in HPC-Systemen. LPO ist eine praktische Lösung für Rechenzentren, die kurzfristig Stromverbrauch und Kosten senken müssen, und bietet vielversprechende Marktchancen für die Massenproduktion bis Ende 2024.

● NPO: Dient als „Übergangsbrücke“ zwischen traditionellen Modulen und CPO und bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung und Wartungsfreundlichkeit. Es eignet sich für die in den Jahren 2026–2027 vorgesehenen Verbindungen innerhalb und zwischen den Gehäusen und wird von führenden Cloud-Anbietern aufgrund seines geringen Risikos und seiner ausgereiften Implementierung bevorzugt.

● CPO: Repräsentiert die Richtung „ultimative Leistung“ und eignet sich für zukünftige, extrem große KI-Rechenzentren sowie Hochgeschwindigkeitsverbindungen mit über 3,2 Tbit/s. Trotz Herausforderungen in den Bereichen Packaging und Ökosystem wird erwartet, dass sich CPO langfristig als Standardlösung etabliert. Der globale Markt soll bis 2027 ein Volumen von 5,4 Milliarden US-Dollar erreichen.

Abschluss

Da Rechenzentren höhere Bandbreiten, geringeren Stromverbrauch und niedrigere Latenzzeiten anstreben, haben sich LPO, NPO und CPO zu den zentralen Treibern der Weiterentwicklung optischer Verbindungstechnologien entwickelt. LPO bietet eine praktische, energieeffiziente und kostengünstige Lösung für Kurzstreckenanwendungen; NPO erzielt ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung und Wartungsfreundlichkeit und beschleunigt den Übergang zu hochintegrierten Systemen; CPO optimiert die Leistungsfähigkeit von Verbindungen und legt damit den Grundstein für zukünftige Ultra-Large-Scale-Computing-Plattformen. Das Verständnis der Eigenschaften, Vorteile und Herausforderungen dieser drei Technologien ist für Rechenzentrumsbetreiber, Netzwerktechniker und Branchenexperten unerlässlich, um fundierte technische Entscheidungen treffen zu können.

Im Zuge dieser technologischen Entwicklung bringen führende Anbieter im In- und Ausland aktiv entsprechende Produkte auf den Markt – von LPO- Transceivermodulen über NPO-Optikmodule bis hin zu CPO-Komplettlösungen – und beschleunigen so die Kommerzialisierung. Mit zunehmender Technologiereife und verbessertem Ökosystem werden LPO, NPO und CPO gemeinsam die Verbindungstechnik in Rechenzentren grundlegend verändern und die rasante Entwicklung der KI- und HPC-Branchen vorantreiben.

Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Worin besteht der Unterschied zwischen CPO und LPO?

CPO integriert optische Engines direkt in den Switch-ASIC, um Bandbreitendichte und Energieeffizienz zu maximieren, während LPO den DSP aus steckbaren Modulen entfernt, um Kosten und Stromverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig Standardformfaktoren beizubehalten.

Frage 2: Ist LPO mit bestehenden QSFP-DD- und OSFP-Switches kompatibel?

Ja. LPO-Module behalten die Formfaktoren QSFP-DD und OSFP bei, sodass sie ohne architektonische Änderungen in bestehenden AI-Rechenzentrums-Switches eingesetzt werden können.

Frage 3: Ist Siliziumphotonik ein Ersatz für CPO oder LPO?

Nein. Siliziumphotonik ist eine grundlegende Integrationstechnologie, die sowohl CPO als auch LPO sowie herkömmliche steckbare optische Module unterstützt.

Frage 4: Welche optische Technologie eignet sich am besten für KI-Trainingscluster?

Groß angelegte KI-Trainingscluster bevorzugen typischerweise CPO aufgrund seiner überlegenen Bandbreitendichte und Energieeffizienz, während LPO besser für Einsätze mit geringer Reichweite und Kostensensibilität geeignet ist.

Frage 5: Werden steckbare Optiken in Zukunft durch CPO ersetzt?

Es wird erwartet, dass CPO steckbare Optiken ergänzt, nicht ersetzt. Unterschiedliche KI-Netzwerkszenarien werden weiterhin unterschiedliche optische Architekturen erfordern.

Frage 6: Wie positioniert sich die NPO im Vergleich zur CPO und LPO?

NPO dient als Übergang zwischen herkömmlichen Steckmodulen und CPO. Es ist stärker integriert und latenzärmer als LPO und gleichzeitig wartungsfreundlicher und kostengünstiger als CPO, wodurch es sich ideal für mittelfristige Verbindungen innerhalb und zwischen Schaltschränken eignet.

Frage 7: Welche Vorteile bietet NPO in Bezug auf Wartung und Wärmemanagement?

NPO verwendet separate Gehäuse für seine optische Einheit und die xPU. Defekte optische Einheiten können einzeln ausgetauscht werden, ohne die gesamte xPU ersetzen zu müssen, was die Wartungskosten senkt. Das unabhängige Wärmemanagement verhindert zudem Wellenlängenverschiebungen durch GPU-Wärme und gewährleistet so eine stabile Leistung.