Que sont LPO, NPO et CPO ? Connaissance des technologies d’interconnexion optique

L'essor des LPO, NPO et CPO

Qu'est-ce que LPO ? Optique enfichable à entraînement linéaire

LPO (Linear-drive Pluggable Optics) est une technologie innovante d'encapsulation de modules optiques proposée par Macom et NVIDIA en 2022. Son principe repose sur l'abandon des puces traditionnelles de traitement numérique du signal (DSP) et de récupération des données d'horloge (CDR) dans les modules optiques, au profit d'une liaison optique « linéaire à entraînement direct » purement analogique. Cette conception permet de résoudre directement les problèmes de forte consommation d'énergie et de latence élevée induits par les puces DSP, ce qui en fait une solution idéale pour les applications à courte distance et hautes performances.

Principe de fonctionnement du LPO

Contrairement aux solutions d'interconnexion haut débit traditionnelles qui s'appuient sur le DSP et le CDR pour l'égalisation, le rééchelonnement et la compensation du signal, LPO simplifie le chemin de traitement du signal :

● Émetteur : Une puce de commande à haute linéarité pilote directement le modulateur optique, convertissant les signaux électriques en signaux optiques sans traitement numérique.

● Récepteur : Un amplificateur de transimpédance à haute linéarité (TIA) effectue la conversion photoélectrique et l'amplification du signal, en maintenant le chemin du signal analogique.

● Compensation du signal : Les tâches d'égalisation et de compensation du signal qui étaient initialement gérées par le DSP du module sont transférées au SerDes (sérialiseur/désérialiseur) côté hôte de l'xPU, ce qui impose des exigences plus élevées aux capacités de traitement du signal analogique de l'xPU.

Principaux avantages du LPO

● Faible consommation d'énergie : La suppression de la puce DSP réduit la consommation d'énergie du module de 30 % à 50 %, voire de plus de 50 % par rapport aux solutions DSP traditionnelles. Il s'agit d'un avantage crucial pour les centres de données qui cherchent à réduire leurs coûts énergétiques et à optimiser leur PUE.

● Faible coût : Les puces DSP représentent 20 à 40 % du coût de nomenclature des modules optiques traditionnels. Leur suppression réduit considérablement les coûts globaux, malgré la légère augmentation de coût liée à l’intégration de la fonction d’égalisation dans les pilotes et les amplificateurs transimpédance (TIA).

● Faible latence : En supprimant le lien de traitement DSP, LPO raccourcit le chemin de transmission du signal, réduisant ainsi la latence, une exigence clé pour la communication inter-GPU HPC et d'autres scénarios à faible latence.

● Maintenance simplifiée : LPO conserve la conception modulaire traditionnelle des composants optiques, permettant leur remplacement à chaud. Les modules défectueux peuvent être remplacés sans interruption de service, minimisant ainsi les temps d’arrêt.

Défis rencontrés par les LPO

● Distance de transmission limitée : sans les capacités d'égalisation et de correction d'erreurs du DSP, le LPO a un taux d'erreur binaire plus élevé et une distance de transmission plus courte, généralement de quelques mètres à quelques dizaines de mètres seulement (qui devrait s'étendre à 500 m à l'avenir).

● Normalisation encore immature : La normalisation des processus métier (LPO) n’en est qu’à ses débuts et souffre d’une faible compatibilité entre les différents fournisseurs. Elle convient actuellement mieux aux systèmes fermés d’un seul fournisseur.

• Contraintes liées à la conception du canal électrique : le LPO dépend fortement de la linéarité et des performances analogiques du SerDes côté hôte. Avec le passage de la vitesse des SerDes de 112 Gbit/s à 224 Gbit/s, le maintien de la stabilité de la liaison devient un défi technique majeur.

Qu'est-ce que NPO ? Optique quasi-emballée

L'optique proche du conditionnement (NPO) est une solution d'interconnexion optique hautement intégrée, intermédiaire entre les modules optiques enfichables traditionnels et l'optique à commutation de circuits intégrés (CPO). Conçue comme une « plateforme de transition » pour la CPO, son concept de base consiste à placer le moteur optique et la puce xPU (GPU, NPU, puce de commutation) côte à côte sur un même circuit imprimé haute performance ou substrat organique, en les connectant par des chemins électriques à haut débit extrêmement courts (généralement de quelques centimètres), avec une perte de canal inférieure à 13 dB.

Caractéristiques des OBNL

La technologie NPO offre un équilibre optimal entre intégration et maintenabilité. Contrairement à la technologie CPO, qui intègre le moteur optique et l'unité xPU dans un même boîtier, la technologie NPO les maintient dans des boîtiers séparés, évitant ainsi les problèmes de complexité liés à l'intégration de la technologie CPO, tout en palliant les limitations de performance des modules enfichables traditionnels. Lors de l'OFC 2026, les principaux fournisseurs de cloud, tels que Google, ont annoncé conjointement leurs plans de déploiement de la technologie NPO, confirmant ainsi son statut de solution privilégiée pour les interconnexions intra-armoire et inter-armoires de 2026 à 2027.

Principaux avantages des organisations à but non lucratif

● Bande passante élevée et faibles pertes : le court trajet du signal réduit considérablement l'atténuation et la diaphonie, permettant une transmission à large bande passante ( 800G et plus) sans avoir recours à une compensation DSP complexe, garantissant une intégrité élevée du signal.

● Gestion thermique supérieure : L'emballage indépendant du moteur optique et du xPU empêche les composants optiques d'être exposés à l'environnement à haute température du cœur du GPU, évitant ainsi la dérive de longueur d'onde et les fluctuations de performances, et facilitant une conception thermique flexible.

● Maintenance facile et grande capacité de remplacement : le moteur optique emballé indépendamment peut être remplacé individuellement en cas de panne, sans avoir à remplacer l'ensemble de la puce xPU, ce qui réduit les coûts et la complexité de la maintenance.

● Technologie mature et à faible risque : contrairement à la technologie CPO, la technologie NPO ne nécessite pas d’avancées majeures dans le domaine de l’emballage 3D ni d’autres technologies de pointe, ce qui réduit les risques techniques et permet une production de masse plus rapide. Des fournisseurs nationaux comme Huagong Technology ont lancé des moteurs optiques NPO de 3,2 T, qui ont passé avec succès les tests de Google et Microsoft et sont déjà déployés chez des clients clés.

Défis rencontrés par les OBNL

● Intégration limitée : comparé au CPO, le NPO nécessite toujours un câblage de substrat pour les interconnexions électriques, ce qui entraîne une densité d'intégration plus faible et l'incapacité d'obtenir le chemin de transmission le plus court possible.

● Goulots d'étranglement des performances à haute vitesse : Dans les scénarios à haute vitesse 1,6T/3,2T, les pertes de connexion électrique et la consommation d'énergie augmenteront, nécessitant des améliorations au niveau des matériaux, du câblage et des normes d'interface.

●  Synchronisation de la latence : Bien que la latence soit inférieure à celle des modules traditionnels, dans les interconnexions à très grande échelle, un équilibre entre la latence et l'uniformité entre les modules NPO est nécessaire pour assurer la synchronisation au niveau du système.

Qu'est-ce que le CPO ? Optique co-emballée

La technologie CPO (Co-Packaged Optics) est une technologie d'interconnexion électro-optique hautement intégrée, dérivée de la technologie NPO. Son principe consiste à intégrer directement le moteur optique à la puce de commutation ( ASIC ) ou à la puce de calcul (xPU) dans un même boîtier, éliminant ainsi la connexion à la carte mère via l'interface frontale des modules optiques enfichables traditionnels. Le trajet de transmission du signal électrique est ainsi réduit de quelques centimètres à quelques millimètres, optimisant considérablement l'intégrité du signal, la consommation d'énergie et la latence.

Il convient de noter que la maturité de la technologie photonique sur silicium constitue le fondement essentiel du développement de CPO : elle fournit à CPO une solution de moteur optique hautement intégrée, à faible consommation et à faible coût, favorisant ainsi le développement rapide de la technologie CPO.

Structure et principe de fonctionnement du CPO

Un système CPO typique se compose d'une puce électronique, d'un module de moteur optique, d'un interposeur en silicium et d'une interface à fibre optique, avec le processus de fonctionnement suivant :

● Transmission : Le SerDes intégré à la puce électronique génère des signaux électriques à haute vitesse, transmis au module optique par des micro-bosses d’interconnexion sur l’interposeur. La puce de commande pilote le modulateur optique pour réaliser la conversion électro-optique, et le signal optique est transmis par fibre optique.

● Réception : Le signal optique est converti en un signal électrique par un photodétecteur, amplifié par un TIA, puis renvoyé à la puce électrique via des interconnexions à micro-bosses pour le décodage.

En fonction de la profondeur d'encapsulation, le CPO est divisé en trois types : Type A (encapsulation 2.5D, longueur de connexion électrique ≤10 cm), Type B (encapsulation 2.5D au niveau de la plaquette, densité plus élevée) et Type C (empilement vertical 3D, interconnexions au niveau du millimètre, forme d'intégration la plus élevée).

Principaux avantages du CPO

● Bande passante ultra-élevée et faible consommation d'énergie : le chemin de signal à l'échelle millimétrique prend en charge des interconnexions haut débit de 1,6 T à plus de 3,2 T par port. Selon Broadcom, la technologie CPO permet de réduire la consommation d'énergie de plus de 50 %, la consommation par bit passant de 15 à 20 pJ/bit (modules traditionnels) à 5 à 10 pJ/bit.

● Interconnexion haute densité : L'intégration du moteur optique dans le boîtier libère de l'espace sur le panneau avant, augmentant considérablement la densité d'E/S des commutateurs et des systèmes GPU, ce qui est crucial pour les centres de données haute densité.

● Latence ultra-faible et haute fiabilité : l'élimination des connexions électriques intermédiaires et de la compensation DSP réduit la latence, tout en réduisant la sensibilité aux interférences électromagnétiques (EMI), assurant une transmission de signal stable.

● Efficacité énergétique optimisée du système : La conception hautement intégrée réduit les pertes de conversion, abaissant le PUE global des centres de données, ce qui la rend idéale pour les clusters d'entraînement d'IA et les équipements de commutation à très grande échelle.

Défis rencontrés par le CPO

● Complexité d'emballage élevée : le co-emballage optoélectronique impose des exigences extrêmement élevées en matière de gestion thermique, de stabilité mécanique et de rendement d'emballage, ce qui entraîne des coûts de fabrication plus élevés que pour les modules optiques traditionnels.

● Maintenance difficile : L'intégration étroite du moteur optique et de la puce électrique signifie qu'une panne d'un seul composant optique nécessite le remplacement de l'ensemble du boîtier, ce qui augmente la complexité et les coûts de maintenance.

● Écosystème encore immature : la technologie CPO nécessite de nouvelles normes d’encapsulation optoélectronique, des systèmes de test et des processus de fabrication automatisés, et n’en est qu’aux prémices de son industrialisation. Son adoption par le marché n’est pas encore urgente à l’ère des 1,6 T, car les modules enfichables traditionnels répondent toujours à la plupart des besoins de l’industrie.

LPO vs. NPO vs. CPO : Comment choisir la bonne technologie ?

Les technologies LPO, NPO et CPO ne s'excluent pas mutuellement ; elles se complètent et ciblent différents scénarios d'application, formant un système technique complet pour les interconnexions optiques de nouvelle génération :

●  LPO : Axée sur la rentabilité et la faible latence, cette technologie est idéale pour les interconnexions à courte distance (au sein d’une même baie), comme la communication inter-GPU pour le calcul haute performance. Elle constitue une solution pratique pour les centres de données qui doivent réduire leur consommation d’énergie et leurs coûts à court terme, avec de fortes perspectives de production en série d’ici fin 2024.

● NPO : Sert de « pont de transition » entre les modules traditionnels et le CPO, en équilibrant performance et maintenabilité. Il convient aux interconnexions intra-armoire/inter-armoire de 2026-2027 et est privilégié par les principaux fournisseurs de cloud pour son faible risque et son déploiement éprouvé.

● CPO : Représente la solution « performance ultime », adaptée aux futurs centres de données IA à très grande échelle et aux scénarios d’interconnexion haut débit de plus de 3,2 Tbit/s. Malgré les défis liés au packaging et à l’écosystème, elle devrait devenir la solution dominante à long terme, le marché mondial étant estimé à 5,4 milliards de dollars d’ici 2027.

Conclusion

Alors que les centres de données recherchent une bande passante plus élevée, une consommation d'énergie réduite et une latence moindre, les technologies LPO, NPO et CPO sont devenues les principaux moteurs de l'évolution des interconnexions optiques. La technologie LPO offre une solution pratique, économique et à faible consommation pour les liaisons de courte portée ; la technologie NPO assure un équilibre entre performance et maintenabilité, accélérant ainsi la transition vers une forte intégration ; la technologie CPO repousse les limites de la performance des interconnexions, jetant les bases des futures plateformes informatiques à très grande échelle. Il est essentiel pour les opérateurs de centres de données, les ingénieurs réseau et les professionnels du secteur de comprendre les caractéristiques, les avantages et les défis de ces trois technologies afin de faire des choix techniques éclairés.

Dans cette évolution technologique, les principaux fournisseurs nationaux et internationaux déploient activement des produits connexes – des modules émetteurs-récepteurs optiques LPO aux moteurs optiques NPO, en passant par les solutions intégrées CPO – accélérant ainsi la commercialisation. À mesure que la technologie mûrit et que l'écosystème s'améliore, les technologies LPO, NPO et CPO redéfiniront conjointement le paysage de l'interconnexion des centres de données, stimulant le développement rapide des secteurs de l'IA et du calcul haute performance (HPC).

FAQ

Q1 : Quelle est la différence entre CPO et LPO ?

La technologie CPO intègre directement les moteurs optiques au circuit intégré spécifique (ASIC) du commutateur afin de maximiser la densité de bande passante et l'efficacité énergétique, tandis que la technologie LPO supprime le DSP des modules enfichables afin de réduire les coûts et la consommation d'énergie tout en conservant des facteurs de forme standard.

Q2 : Le LPO est-il compatible avec les commutateurs QSFP-DD et OSFP existants ?

Oui. Les modules LPO conservent les formats QSFP-DD et OSFP, ce qui permet leur déploiement dans les commutateurs de centres de données IA existants sans modification architecturale.

Q3 : La photonique sur silicium peut-elle remplacer le CPO ou le LPO ?

Non. La photonique sur silicium est une technologie d'intégration fondamentale qui prend en charge à la fois les CPO et les LPO, ainsi que les modules optiques enfichables traditionnels.

Q4 : Quelle technologie optique est la meilleure pour les clusters d’entraînement d’IA ?

Les clusters d'entraînement d'IA à grande échelle privilégient généralement le CPO en raison de sa densité de bande passante et de son efficacité énergétique supérieures, tandis que le LPO est plus adapté aux déploiements à courte portée et sensibles aux coûts.

Q5 : Les optiques CPO remplaceront-elles les optiques enfichables à l’avenir ?

L'optique enfichable par condensateur (CPO) devrait compléter, et non remplacer, l'optique enfichable. Différents scénarios de mise en réseau de l'IA continueront d'exiger différentes architectures optiques.

Q6 : Quel est le positionnement de NPO par rapport à CPO et LPO ?

La technologie NPO assure la transition entre les modules enfichables traditionnels et la technologie CPO. Plus intégrée et offrant une latence plus faible que la technologie LPO, elle est également plus facile à entretenir et plus économique que la technologie CPO, ce qui la rend idéale pour les interconnexions intra-armoire et inter-armoires à moyen terme.

Q7 : Quels sont les avantages offerts par NPO en matière de maintenance et de gestion thermique ?

NPO utilise un système de conditionnement indépendant pour son moteur optique et son xPU. Les moteurs optiques défectueux peuvent être remplacés individuellement sans avoir à changer l'ensemble du xPU, ce qui réduit les coûts de maintenance. Son système de gestion thermique indépendant empêche également la dérive de longueur d'onde due à la chaleur du GPU, garantissant ainsi des performances stables.