¿Qué son LPO, NPO y CPO? Conocimientos sobre tecnologías de interconexión óptica.

El auge de LPO, NPO y CPO

¿Qué es LPO? Óptica conectable de accionamiento lineal

LPO, acrónimo de Linear-drive Pluggable Optics (Óptica Enchufable de Accionamiento Lineal), es una innovadora tecnología de encapsulado de módulos ópticos propuesta por Macom y NVIDIA en 2022. Su idea principal es prescindir de los chips tradicionales de procesamiento digital de señales (DSP) y recuperación de datos de reloj (CDR) en los módulos ópticos, creando un enlace óptico puramente analógico de accionamiento directo lineal. Este diseño resuelve directamente el alto consumo de energía y la elevada latencia causados ​​por los chips DSP, lo que lo convierte en una opción ideal para escenarios de corto alcance y alto rendimiento.

Principio de funcionamiento de LPO

A diferencia de las soluciones de interconexión de alta velocidad tradicionales que dependen de DSP y CDR para la ecualización, la resincronización y la compensación de la señal, LPO simplifica la ruta de procesamiento de la señal:

● Transmisor: Un chip controlador de alta linealidad acciona directamente el modulador óptico, convirtiendo las señales eléctricas en señales ópticas sin procesamiento digital.

● Receptor: Un amplificador de transimpedancia (TIA) de alta linealidad completa la conversión fotoeléctrica y la amplificación de la señal, manteniendo la ruta de la señal analógica.

● Compensación de señal: Las tareas de ecualización y compensación de señal que originalmente realizaba el DSP del módulo se transfieren al SerDes (Serializador/Deserializador) de la xPU del host, lo que impone mayores exigencias a las capacidades de procesamiento de señal analógica de la xPU.

Ventajas clave de la LPO

● Bajo consumo de energía: La eliminación del chip DSP reduce el consumo de energía del módulo entre un 30 % y un 50 %, e incluso más del 50 % en comparación con las soluciones DSP tradicionales. Esta es una ventaja crucial para los centros de datos que buscan reducir los costos de energía y optimizar el PUE.

● Bajo costo: Los chips DSP representan entre el 20 % y el 40 % del costo total de los módulos ópticos tradicionales. Eliminar el DSP reduce significativamente los costos generales, incluso con el ligero aumento de costo derivado de la integración de la funcionalidad EQ en los controladores y los TIA.

● Baja latencia: Al eliminar el enlace de procesamiento DSP, LPO acorta la ruta de transmisión de la señal, reduciendo la latencia, un requisito clave para la comunicación entre GPU de HPC y otros escenarios de baja latencia.

● Fácil mantenimiento: LPO conserva el diseño modular tradicional de los componentes ópticos, lo que permite el intercambio en caliente. Los módulos defectuosos se pueden reemplazar sin interrumpir el funcionamiento del sistema, minimizando así el tiempo de inactividad.

Desafíos que enfrenta la LPO

● Distancia de transmisión limitada: Sin las capacidades de ecualización y corrección de errores del DSP, LPO tiene una tasa de error de bits más alta y una distancia de transmisión más corta, generalmente de solo unos pocos metros a decenas de metros (se espera que se extienda a 500M en el futuro).

● Estandarización inmadura: La estandarización de LPO aún se encuentra en sus primeras etapas, con escasa compatibilidad entre los distintos proveedores. Actualmente, resulta más adecuada para sistemas cerrados de un solo proveedor.

● Presión en el diseño del canal eléctrico: LPO depende en gran medida de la linealidad y el rendimiento analógico del SerDes del host. A medida que las velocidades de SerDes pasan de 112G a 224G, mantener la estabilidad del enlace se convierte en un importante desafío técnico.

¿Qué es NPO? Óptica casi empaquetada

NPO, o Near-Packaged Optics (Óptica Cercana), es una solución de interconexión óptica altamente integrada que se sitúa entre los módulos ópticos conectables tradicionales y CPO. Como "plataforma de transición" para CPO, su concepto central consiste en colocar el motor óptico y el chip xPU (GPU, NPU, chip de conmutación) uno al lado del otro en la misma placa de circuito impreso de alto rendimiento o sustrato orgánico, conectándolos a través de rutas eléctricas de alta velocidad extremadamente cortas (normalmente de unos pocos centímetros), con una pérdida de canal controlada por debajo de 13 dB.

Características de las organizaciones sin fines de lucro

NPO logra un equilibrio entre integración y facilidad de mantenimiento. A diferencia de CPO, que integra el motor óptico y la xPU en el mismo paquete, NPO los mantiene empaquetados de forma independiente, evitando los desafíos de empaquetado de alta complejidad de CPO y superando los cuellos de botella de rendimiento de los módulos conectables tradicionales. En OFC 2026, los principales proveedores de servicios en la nube, como Google, anunciaron conjuntamente sus planes de implementación de NPO, confirmando su estatus como la solución preferida para interconexiones dentro y entre gabinetes de 2026 a 2027.

Ventajas clave de las organizaciones sin fines de lucro

● Alto ancho de banda y bajas pérdidas: La corta trayectoria de la señal reduce significativamente la atenuación y la diafonía, lo que permite la transmisión de alto ancho de banda ( 800G y superior) sin depender de una compensación DSP compleja, garantizando una alta integridad de la señal.

● Gestión térmica superior: El empaquetado independiente del motor óptico y la xPU evita que los componentes ópticos queden expuestos al entorno de alta temperatura del núcleo de la GPU, evitando la deriva de la longitud de onda y las fluctuaciones del rendimiento, y facilitando un diseño térmico flexible.

● Fácil mantenimiento y alta capacidad de sustitución: El motor óptico, empaquetado de forma independiente, se puede reemplazar individualmente cuando falla, sin necesidad de sustituir todo el chip xPU, lo que reduce los costes y la complejidad del mantenimiento.

● Madurez y bajo riesgo: En comparación con CPO, NPO no requiere avances en empaques 3D ni otras tecnologías de vanguardia, con menores riesgos técnicos y una producción en masa más rápida. Proveedores nacionales como Huagong Technology han lanzado motores ópticos NPO de 3,2 T, que han superado las pruebas de Google y Microsoft y se han implementado en clientes clave.

Desafíos que enfrentan las organizaciones sin fines de lucro

● Integración limitada: En comparación con CPO, NPO todavía requiere cableado del sustrato para las interconexiones eléctricas, lo que resulta en una menor densidad de integración y la incapacidad de lograr la ruta de transmisión más corta posible.

● Limitaciones de rendimiento a altas velocidades: En escenarios de alta velocidad de 1,6 T/3,2 T, las pérdidas de conexión eléctrica y el consumo de energía aumentarán, lo que requerirá mejoras en los materiales, el cableado y los estándares de interfaz.

●  Sincronización de latencia: Si bien la latencia es menor que la de los módulos tradicionales, en las interconexiones a gran escala, es necesario equilibrar la latencia y la uniformidad entre los módulos NPO para garantizar la sincronización a nivel de sistema.

¿Qué es CPO? Óptica Co-Packaged

CPO, acrónimo de Co-Packaged Optics (Óptica Coencapsulada), es una tecnología de interconexión electroóptica altamente integrada que evolucionó a partir de NPO. Su esencia radica en integrar directamente el motor óptico con el chip de conmutación ( ASIC ) o el chip de procesamiento (xPU) en el mismo encapsulado, eliminando la conexión de interfaz del panel frontal del módulo óptico tradicional a la placa base. Esto reduce la distancia de transmisión de la señal eléctrica de unos pocos centímetros a milímetros, optimizando fundamentalmente la integridad de la señal, el consumo de energía y la latencia.

Cabe destacar que la madurez de la tecnología de fotónica de silicio es la base fundamental para el desarrollo de CPO, ya que proporciona a CPO una solución de motor óptico altamente integrada, de bajo consumo y bajo coste, lo que promueve el rápido avance de la tecnología CPO.

Estructura y principio de funcionamiento de CPO

Un sistema CPO típico consta de un chip eléctrico, un módulo de motor óptico, un interponedor de silicio y una interfaz de fibra óptica, con el siguiente proceso de funcionamiento:

● Transmisión: El SerDes integrado en el chip eléctrico genera señales eléctricas de alta velocidad, que se transmiten al motor óptico mediante interconexiones de microcontactos en el interponedor. El chip controlador acciona el modulador óptico para completar la conversión electroóptica, y la señal óptica se transmite a través de la fibra óptica.

● Recepción: La señal óptica se convierte en una señal eléctrica mediante un fotodetector, se amplifica mediante un TIA y luego se transmite de vuelta al chip eléctrico a través de interconexiones de microcontactos para su decodificación.

En función de la profundidad de empaquetado, el CPO se divide en tres tipos: Tipo A (empaquetado 2.5D, longitud de conexión eléctrica ≤10 cm), Tipo B (empaquetado 2.5D a nivel de oblea, mayor densidad) y Tipo C (apilamiento vertical 3D, interconexiones a nivel de milímetros, la forma de integración más alta).

Ventajas clave de CPO

● Ancho de banda ultra alto y bajo consumo de energía: La ruta de señal a nivel de milímetros admite interconexiones de alta velocidad de 1,6 T a 3,2 T+ por puerto. Según Broadcom, CPO puede reducir el consumo de energía en más del 50 %, con un consumo de energía por bit que disminuye de 15 a 20 pJ/bit (módulos tradicionales) a 5 a 10 pJ/bit.

● Interconexión de alta densidad: La integración del motor óptico en el paquete libera espacio en el panel frontal, lo que aumenta significativamente la densidad de E/S de los conmutadores y los sistemas GPU, algo crucial para los centros de datos de alta densidad.

● Latencia ultrabaja y alta fiabilidad: la eliminación de las conexiones eléctricas intermedias y la compensación DSP reducen la latencia, al tiempo que disminuyen la sensibilidad a las interferencias electromagnéticas (EMI), lo que garantiza una transmisión de señal estable.

● Eficiencia energética optimizada del sistema: El diseño altamente integrado reduce las pérdidas de conversión, disminuyendo el PUE general de los centros de datos, lo que lo hace ideal para clústeres de entrenamiento de IA y equipos de conmutación a gran escala.

Desafíos que enfrenta el CPO

● Alta complejidad de empaquetado: El empaquetado conjunto de componentes optoelectrónicos tiene requisitos extremadamente altos en cuanto a gestión térmica, estabilidad mecánica y rendimiento de empaquetado, lo que resulta en costos de fabricación más altos que los módulos ópticos tradicionales.

● Escasa facilidad de mantenimiento: La estrecha integración del motor óptico y el chip eléctrico implica que un solo fallo en un componente óptico requiere la sustitución de todo el conjunto, lo que aumenta la complejidad y los costes de mantenimiento.

● Ecosistema inmaduro: La tecnología CPO requiere nuevos estándares de empaquetado optoelectrónico, sistemas de prueba y procesos de fabricación automatizados, y actualmente se encuentra en las primeras etapas de industrialización. Su adopción en el mercado aún no es urgente en la era de 1,6 T, ya que los módulos enchufables tradicionales todavía satisfacen la mayoría de las necesidades de la industria.

LPO vs. NPO vs. CPO: ¿Cómo elegir la tecnología adecuada?

LPO, NPO y CPO no son mutuamente excluyentes; se complementan entre sí y se dirigen a diferentes escenarios de aplicación, formando un sistema técnico completo para las interconexiones ópticas de próxima generación:

●  LPO: Se centra en la rentabilidad y la baja latencia, siendo ideal para escenarios de interconexión de corto alcance (dentro del gabinete), como la comunicación entre GPU en entornos HPC. Es una solución práctica para centros de datos que necesitan reducir el consumo de energía y los costos a corto plazo, con amplias perspectivas de mercado para su producción en masa a finales de 2024.

● NPO: Sirve como un "puente de transición" entre los módulos tradicionales y CPO, equilibrando el rendimiento y la facilidad de mantenimiento. Es adecuado para las interconexiones intra-gabinete/inter-gabinete de 2026-2027, y es el preferido por los principales proveedores de servicios en la nube por su bajo riesgo y su implementación madura.

● CPO: Representa la dirección de "máximo rendimiento", adecuada para futuros centros de datos de IA a gran escala y escenarios de interconexión de alta velocidad de 3,2 T+. Si bien enfrenta desafíos de empaquetado y ecosistema, se espera que se convierta en la solución principal a largo plazo, con un mercado global que se prevé alcance los 5400 millones de dólares para 2027.

Conclusión

A medida que los centros de datos buscan mayor ancho de banda, menor consumo de energía y menor latencia, LPO, NPO y CPO se han convertido en los principales impulsores de la evolución de la tecnología de interconexión óptica. LPO ofrece una solución práctica, de bajo consumo y bajo costo para escenarios de corto alcance; NPO logra un equilibrio entre rendimiento y facilidad de mantenimiento, acelerando la transición hacia una alta integración; CPO lleva el rendimiento de la interconexión al límite, sentando las bases para futuras plataformas de computación a gran escala. Comprender las características, ventajas y desafíos de estas tres tecnologías es crucial para que los operadores de centros de datos, los ingenieros de redes y los profesionales del sector tomen decisiones técnicas informadas.

En esta evolución tecnológica, los principales proveedores, tanto nacionales como internacionales, están desplegando activamente productos relacionados, desde módulos transceptores ópticos LPO hasta motores ópticos NPO y soluciones integradas CPO, acelerando así el ritmo de comercialización. A medida que la tecnología madure y el ecosistema mejore, LPO, NPO y CPO transformarán conjuntamente el panorama de la interconexión de centros de datos, impulsando el rápido desarrollo de las industrias de IA y computación de alto rendimiento (HPC).

Preguntas frecuentes

P1: ¿Cuál es la diferencia entre CPO y LPO?

CPO integra los motores ópticos directamente con el ASIC del conmutador para maximizar la densidad de ancho de banda y la eficiencia energética, mientras que LPO elimina el DSP de los módulos conectables para reducir el coste y el consumo de energía, manteniendo al mismo tiempo los factores de forma estándar.

P2: ¿Es LPO compatible con los conmutadores QSFP-DD y OSFP existentes?

Sí. Los módulos LPO conservan los formatos QSFP-DD y OSFP, lo que permite su implementación en conmutadores de centros de datos de IA existentes sin necesidad de realizar cambios arquitectónicos.

P3: ¿La fotónica de silicio sustituye a la CPO o la LPO?

No. La fotónica de silicio es una tecnología de integración fundamental que admite tanto CPO como LPO, así como los módulos ópticos conectables tradicionales.

P4: ¿Qué tecnología óptica es la mejor para los clústeres de entrenamiento de IA?

Los clústeres de entrenamiento de IA a gran escala suelen preferir CPO debido a su mayor densidad de ancho de banda y eficiencia energética, mientras que LPO es más adecuado para implementaciones de corto alcance y sensibles al coste.

P5: ¿Reemplazará la óptica enchufable la tecnología CPO en el futuro?

Se espera que la óptica enchufable complemente, en lugar de reemplazar, la óptica conectable. Los diferentes escenarios de redes de IA seguirán requiriendo diferentes arquitecturas ópticas.

P6: ¿Cuál es el posicionamiento de NPO en comparación con CPO y LPO?

NPO sirve como transición entre los módulos enchufables tradicionales y CPO. Es más integrado y de menor latencia que LPO, a la vez que más fácil de mantener y más rentable que CPO, lo que lo hace ideal para interconexiones intra-gabinete e inter-gabinete a medio plazo.

P7: ¿Qué ventajas ofrece NPO en materia de mantenimiento y gestión térmica?

NPO utiliza un encapsulado independiente para su motor óptico y su xPU. Los motores ópticos defectuosos se pueden reemplazar individualmente sin necesidad de sustituir toda la xPU, lo que reduce los costes de mantenimiento. Su gestión térmica independiente también evita la deriva de la longitud de onda causada por el calor de la GPU, garantizando un rendimiento estable.