Что такое LPO, NPO, CPO? Знание технологий оптических межсоединений.

Расцвет LPO, NPO, CPO

Что такое LPO? Линейно-приводная подключаемая оптика.

LPO, сокращение от Linear-drive Pluggable Optics (линейная подключаемая оптика), — это инновационная технология упаковки оптических модулей, предложенная компаниями Macom и NVIDIA в 2022 году. Ее основная идея заключается в отказе от традиционных микросхем цифровой обработки сигналов (DSP) и восстановления тактовой частоты (CDR) в оптических модулях, создавая чисто аналоговую оптическую линию связи с «линейным прямым приводом». Такая конструкция напрямую решает проблему высокого энергопотребления и большой задержки, вызванных микросхемами DSP, что делает ее идеальным выбором для сценариев с высокой производительностью на коротких расстояниях.

Принцип работы LPO

В отличие от традиционных высокоскоростных решений для межсоединений, которые используют DSP и CDR для выравнивания, синхронизации и компенсации сигнала, LPO упрощает путь обработки сигнала:

● Передатчик: Высоколинейный драйверный чип напрямую управляет оптическим модулятором, преобразуя электрические сигналы в оптические без цифровой обработки.

● Приёмник: Высоколинейный трансимпедансный усилитель (TIA) осуществляет фотоэлектрическое преобразование и усиление сигнала, сохраняя при этом аналоговый тракт сигнала.

● Компенсация сигнала: Задачи выравнивания и компенсации сигнала, которые изначально выполнялись цифровым сигнальным процессором (DSP) модуля, передаются на серверный десериализатор (SerDes) xPU на стороне хоста, что предъявляет более высокие требования к возможностям обработки аналоговых сигналов xPU.

Основные преимущества LPO

● Низкое энергопотребление: удаление DSP-чипа снижает энергопотребление модуля на 30–50%, а по сравнению с традиционными DSP-решениями — более чем на 50%. Это решающее преимущество для центров обработки данных, стремящихся снизить затраты на электроэнергию и оптимизировать показатель PUE (коэффициент эффективности использования энергии).

● Низкая стоимость: на долю микросхем DSP приходится 20–40% от общей стоимости компонентов традиционных оптических модулей. Исключение DSP значительно снижает общие затраты, даже с учетом неболького увеличения стоимости за счет интеграции функций эквалайзера в драйверы и TIA.

● Низкая задержка: за счет исключения канала обработки DSP, LPO сокращает путь передачи сигнала, уменьшая задержку — ключевое требование для высокопроизводительных вычислений (HPC) и межпроцессорной связи, а также в других сценариях с низкой задержкой.

● Простота обслуживания: LPO сохраняет традиционную модульную конструкцию оптических компонентов, поддерживая «горячую» замену. Вышедшие из строя модули можно заменить без прерывания работы системы, что минимизирует время простоя.

Проблемы, с которыми сталкивается LPO

● Ограниченная дальность передачи: Без возможностей выравнивания и коррекции ошибок, присущих цифровым сигнальным процессорам (DSP), LPO имеет более высокую частоту битовых ошибок и меньшую дальность передачи, обычно всего несколько метров или десятки метров (в будущем ожидается увеличение до 500 Мбит/с).

● Незрелая стандартизация: Стандартизация LPO все еще находится на ранних стадиях, с плохой совместимостью между различными поставщиками. В настоящее время она больше подходит для закрытых систем от одного поставщика.

● Требования к проектированию электрических каналов: LPO в значительной степени зависит от линейности и аналоговых характеристик SerDes на стороне хоста. По мере перехода скоростей SerDes от 112 Гбит/с к 224 Гбит/с поддержание стабильности канала связи становится серьезной технической проблемой.

Что такое NPO? Оптика, расположенная в непосредственной близости от упаковки.

NPO, или Near-Packaged Optics (оптика, близкая к корпусу), — это высокоинтегрированное решение для оптических межсоединений, занимающее промежуточное положение между традиционными подключаемыми оптическими модулями и CPO (оптическая матрица, модульная матрица). В качестве «переходной площадки» для CPO, её основная концепция заключается в размещении оптического модуля и чипа xPU (GPU, NPU, коммутирующий чип) рядом друг с другом на одной высокопроизводительной печатной плате или органической подложке, соединяя их по чрезвычайно коротким высокоскоростным электрическим путям (обычно в пределах нескольких сантиметров), при этом потери в канале контролируются ниже 13 дБ.

Характеристики НПО

NPO обеспечивает баланс между интеграцией и ремонтопригодностью. В отличие от CPO, где оптический модуль и xPU объединены в одном корпусе, NPO обеспечивает их независимую компоновку, избегая сложных проблем компоновки, характерных для CPO, и преодолевая узкие места производительности традиционных подключаемых модулей. На OFC 2026 крупные поставщики облачных услуг, такие как Google, совместно объявили о планах внедрения NPO, подтвердив его статус предпочтительного решения для внутрикабинных и межкабинных соединений в период с 2026 по 2027 год.

Основные преимущества НПО

● Высокая пропускная способность и низкие потери: короткий сигнальный тракт значительно снижает затухание и перекрестные помехи, обеспечивая передачу с высокой пропускной способностью ( 800 Гбит/с и выше) без использования сложной цифровой обработки сигналов, что гарантирует высокую целостность сигнала.

● Превосходное управление температурным режимом: независимая компоновка оптического модуля и xPU предотвращает воздействие высоких температур ядра графического процессора на оптические компоненты, исключая дрейф длины волны и колебания производительности, а также обеспечивая гибкую систему охлаждения.

● Простота обслуживания и высокая степень заменяемости: оптический модуль в отдельном корпусе может быть заменен в случае неисправности, без замены всего чипа xPU, что снижает затраты на обслуживание и упрощает процесс.

● Зрелость и низкий уровень риска: по сравнению с CPO, NPO не требует прорывов в 3D-упаковке и других передовых технологиях, что обеспечивает более низкие технические риски и более быстрое массовое производство. Отечественные производители, такие как Huagong Technology, выпустили оптические двигатели NPO мощностью 3,2 Тл, которые прошли испытания Google и Microsoft и были внедрены у ключевых клиентов.

Проблемы, с которыми сталкиваются некоммерческие организации

● Ограниченная интеграция: По сравнению с CPO, NPO по-прежнему требует использования проводников на подложке для электрических соединений, что приводит к более низкой плотности интеграции и невозможности достижения кратчайшего возможного пути передачи.

● Узкие места в производительности на высоких скоростях: В высокоскоростных сценариях с 1,6T/3,2T увеличиваются потери в электрических соединениях и энергопотребление, что требует улучшения материалов, проводки и стандартов интерфейса.

●  Синхронизация по задержке: Хотя задержка ниже, чем у традиционных модулей, в сверхкрупномасштабных межсоединениях для обеспечения синхронизации на системном уровне требуется балансировка задержки и однородности между модулями NPO.

Что такое CPO? Копакированная оптика

CPO, сокращение от Co-Packaged Optics (совмещенная упаковка оптических модулей), — это высокоинтегрированная электрооптическая технология межсоединений, разработанная на основе NPO. Ее суть заключается в прямой интеграции оптического модуля с коммутирующим чипом ( ASIC ) или вычислительным чипом (xPU) в одном корпусе, что исключает традиционное подключение подключаемого оптического модуля к материнской плате через интерфейс на передней панели. Это сокращает путь передачи электрического сигнала с нескольких сантиметров до миллиметров, что принципиально оптимизирует целостность сигнала, энергопотребление и задержку.

Примечательно, что зрелость технологии кремниевой фотоники является ключевой основой для развития CPO — она обеспечивает CPO высокоинтегрированным, энергоэффективным и недорогим оптическим модулем, способствуя быстрому развитию технологии CPO.

Структура и принцип работы CPO

Типичная система CPO состоит из электронного чипа, модуля оптического модуля, кремниевой межсоединительной пластины и оптоволоконного интерфейса, и работает по следующему принципу:

● Передача: SerDes внутри микросхемы выдает высокоскоростные электрические сигналы, которые передаются на оптический модуль через микроконтактные соединения на межсоединительной плате. Микросхема драйвера управляет оптическим модулятором для выполнения электрооптического преобразования, и оптический сигнал передается по оптоволокну.

● Приём: Оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал фотодетектором, усиливается трансимпедансным усилителем (TIA), а затем передаётся обратно на электронный чип через микроконтактные соединения для декодирования.

В зависимости от глубины упаковки, CPO делится на три типа: тип A (2.5D упаковка, длина электрического соединения ≤10 см), тип B (2.5D упаковка на уровне пластины, более высокая плотность) и тип C (3D вертикальная компоновка, межсоединения на уровне миллиметров, форма наивысшей степени интеграции).

Основные преимущества CPO

● Сверхвысокая пропускная способность и низкое энергопотребление: сигнальный тракт миллиметрового уровня поддерживает высокоскоростные межсоединения со скоростью 1,6–3,2 Тл и более на порт. По данным Broadcom, технология CPO позволяет снизить энергопотребление более чем на 50%, при этом энергопотребление на бит снижается с 15–20 пДж/бит (традиционные модули) до 5–10 пДж/бит.

● Высокоплотная межсоединение: интеграция оптического модуля в корпус освобождает место на передней панели, значительно увеличивая плотность ввода-вывода коммутаторов и систем с графическими процессорами, что имеет решающее значение для центров обработки данных с высокой плотностью размещения оборудования.

● Сверхнизкая задержка и высокая надежность: исключение промежуточных электрических соединений и компенсации DSP снижает задержку, а также уменьшает чувствительность к электромагнитным помехам (ЭМП), обеспечивая стабильную передачу сигнала.

● Оптимизированная энергоэффективность системы: Высокоинтегрированная конструкция снижает потери при преобразовании, уменьшая общий показатель PUE центров обработки данных, что делает ее идеальной для кластеров обучения ИИ и сверхкрупномасштабного коммутационного оборудования.

Проблемы, с которыми сталкивается CPO

● Высокая сложность упаковки: к оптоэлектронной совместной упаковке предъявляются чрезвычайно высокие требования к тепловому регулированию, механической стабильности и выходу годных изделий, что приводит к более высоким производственным затратам по сравнению с традиционными оптическими модулями.

● Плохая ремонтопригодность: Тесная интеграция оптического модуля и электронного чипа означает, что отказ одного оптического компонента требует замены всего блока, что увеличивает сложность и стоимость обслуживания.

● Незрелая экосистема: Технология CPO требует новых стандартов оптоэлектронной упаковки, систем тестирования и автоматизированных производственных процессов и в настоящее время находится на ранних этапах индустриализации. Ее внедрение на рынок пока не является срочной задачей в эпоху 1,6 Тл, поскольку традиционные подключаемые модули по-прежнему удовлетворяют большинство потребностей отрасли.

LPO против NPO против CPO: как выбрать подходящую технологию?

LPO, NPO и CPO не являются взаимоисключающими — они дополняют друг друга и ориентированы на различные сценарии применения, образуя целостную техническую систему для оптических межсоединений следующего поколения:

●  LPO: Ориентирован на «экономическую эффективность и низкую задержку», подходит для сценариев межсоединений на коротких расстояниях (внутри шкафов), таких как связь между графическими процессорами в высокопроизводительных вычислениях. Это практичное решение для центров обработки данных, которым необходимо снизить энергопотребление и затраты в краткосрочной перспективе, с широкими рыночными перспективами массового производства к концу 2024 года.

● NPO: Служит «переходным мостом» между традиционными модулями и CPO, обеспечивая баланс между производительностью и ремонтопригодностью. Подходит для внутрикабинных/межкабинных соединений 2026–2027 годов, пользуется популярностью у крупных поставщиков облачных услуг благодаря низкому риску и отработанной технологии развертывания.

● CPO: Представляет собой направление «максимальной производительности», подходящее для будущих сверхкрупномасштабных центров обработки данных для ИИ и сценариев высокоскоростных межсоединений 3,2 Тл+. Несмотря на проблемы, связанные с упаковкой и экосистемой, ожидается, что в долгосрочной перспективе это решение станет основным, а объем мирового рынка, по прогнозам, достигнет 5,4 миллиарда долларов к 2027 году.

Заключение

Поскольку центры обработки данных стремятся к увеличению пропускной способности, снижению энергопотребления и уменьшению задержки, LPO, NPO и CPO стали основными движущими силами эволюции оптических межсоединений. LPO предлагает практичное решение с низким энергопотреблением и низкой стоимостью для сценариев с малым радиусом действия; NPO обеспечивает баланс между производительностью и ремонтопригодностью, ускоряя переход к высокой степени интеграции; CPO доводит производительность межсоединений до предела, закладывая основу для будущих сверхкрупномасштабных вычислительных платформ. Понимание характеристик, преимуществ и проблем этих трех технологий имеет решающее значение для операторов центров обработки данных, сетевых инженеров и специалистов отрасли, чтобы принимать обоснованные технические решения.

В этой технологической эволюции ведущие отечественные и зарубежные поставщики активно внедряют сопутствующие продукты — от оптических приемопередающих модулей LPO до оптических модулей NPO и комплексных решений CPO, что ускоряет темпы коммерциализации. По мере развития технологий и совершенствования экосистемы, LPO, NPO и CPO совместно изменят ландшафт межсоединений центров обработки данных, способствуя быстрому развитию индустрии искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений.

Часто задаваемые вопросы

В1: В чем разница между CPO и LPO?

Технология CPO интегрирует оптические модули непосредственно с коммутационной микросхемой ASIC для максимизации плотности полосы пропускания и энергоэффективности, в то время как технология LPO исключает цифровой сигнальный процессор (DSP) из подключаемых модулей, что снижает стоимость и энергопотребление при сохранении стандартных форм-факторов.

Вопрос 2: Совместим ли LPO с существующими коммутаторами QSFP-DD и OSFP?

Да. Модули LPO сохраняют форм-факторы QSFP-DD и OSFP, что позволяет развертывать их в существующих коммутаторах центров обработки данных AI без архитектурных изменений.

В3: Может ли кремниевая фотоника заменить CPO или LPO?

Нет. Кремниевая фотоника — это фундаментальная технология интеграции, которая поддерживает как CPO, так и LPO, а также традиционные подключаемые оптические модули.

Вопрос 4: Какая оптическая технология лучше всего подходит для кластеров, используемых для обучения ИИ?

Для крупномасштабных кластеров обучения ИИ обычно предпочтительнее использовать CPO из-за его более высокой плотности полосы пропускания и энергоэффективности, в то время как LPO больше подходит для развертывания на коротких расстояниях и с учетом экономической целесообразности.

В5: Заменит ли технология CPO подключаемую оптику в будущем?

Ожидается, что CPO будет дополнять, а не заменять подключаемые оптические модули. Различные сценарии сетевого взаимодействия в сфере ИИ по-прежнему будут требовать различных оптических архитектур.

В6: Каково позиционирование НКО по сравнению с CPO и LPO?

NPO служит переходным звеном между традиционными подключаемыми модулями и CPO. Он более интегрирован и имеет меньшую задержку, чем LPO, а также более прост в обслуживании и экономически эффективен, чем CPO, что делает его идеальным для среднесрочных внутрикабинных и межкабинных соединений.

В7: Какие преимущества в области технического обслуживания и терморегулирования предлагает компания NPO?

В NPO используется независимая компоновка оптического модуля и xPU. Неисправные оптические модули можно заменять по отдельности, не меняя весь xPU целиком, что снижает затраты на техническое обслуживание. Независимая система терморегулирования также предотвращает дрейф длины волны из-за нагрева графического процессора, обеспечивая стабильную работу.