到底什么是 LPO？

大家好，我是小枣君。

今天这篇文章，我们来聊一个最近非常火的光通信概念 ——LPO。

近年来，光通信产业的发展势头很猛。

在 5G、宽带中国、东数西算等国家战略的持续刺激下，国内光通信技术取得了巨大突破，光基础设施也有了质的飞跃。

特别是今年，AIGC 大模型爆火，智算和超算崛起，更是带动了光通信的新一波发展热潮。骨干网 400G 即将全面落地，数据中心 800G 和 1.6T 也跃跃欲试。

█ 光通信演进的挑战

其实，光通信的技术迭代，并不是简单的数字翻倍。

进入 400G 阶段后，我们要解决的问题，不仅仅是速率的提升，更包括高速率所带来的功耗和成本问题。

速率提升就像汽车运货。当运载的货物越来越重，就需要升级发动机。而发动力的排量越大，油耗就越大，发动机价格和油费也会越多。

我们就以光模块为例。

作为光网络的关键器件，也是用得最多的器件，光模块一直以来都是行业关注的焦点。它的功耗和价格，和用户采购意愿息息相关。

早在 2007 年的时候，一个万兆（10Gbps）的光模块，功率才 1W 左右。

随着 40G、100G、400G、800G 的迭代，光模块的功耗一路飙升，直逼 30W。

要知道，一个交换机可不止一个光模块。满载的话，往往就有几十个光模块（假如有 48 个，就是 48×30=1440W）。

一般来说，光模块的功耗大约占整机功耗的 40% 以上。这就意味着，整机的功耗极大可能会超过 3000W。

光通信设备的能耗激增，也给整个数据中心的能耗及成本带来了巨大的压力，极不利于通信网络的双碳目标。

为了解决光通信速率攀升带来的能耗问题，行业进行了大量的技术探索。

去年很火的 CPO，就是解决方案之一。

CPO 我之前专门进行过介绍（链接：到底什么是 NPO / CPO？），这里就不再详细讲了。

今年，在 CPO 之外，行业又提出了一个新方案，这就是 ——LPO。

█ 什么是 LPO

LPO，英文全称叫 Linear-drive Pluggable Optics，即线性驱动可插拔光模块。

从名字可以看出，它是一种光模块封装技术。

所谓“可插拔（Pluggable）”，我们平时看到的光模块，都是可插拔的。

如下图所示，交换机上有光模块的端口，把对应的光模块插进去，就能插光纤了。如果坏了，也可以换。

LPO 强调“可插拔”，是为了和 CPO 方案相区分。CPO 方案里，光模块是不可以插拔的。光模块（光引擎）被移动到了距离交换芯片更近的位置，直接“绑”在一起了。

那么，LPO 和传统光模块的关键区别，就在于线性驱动（Linear-drive）了。

所谓“线性驱动”，是指 LPO 采用了线性直驱技术，光模块中取消了 DSP（数字信号处理）/CDR（时钟数据恢复）芯片。

问题来了 —— 什么是线性直驱呢？DSP 发挥什么作用？为什么可以被取消？取消之后，会带来什么影响？

这里，我们还是先从光模块的基本架构开始讲起。

在之前介绍相干光技术（链接）的时候，小枣君提到过，光模块传输，就是电信号变成光信号，光信号又变成电信号的过程。

在发送端，信号经过数模转换（DAC），从数字信号变成模拟信号。在接收端，模拟信号经过模数转换（ADC），又变成数字信号。

一顿操作下来，得到的数字信号就有点乱，有点失真。这时候，需要 DSP，对数字信号进行“修复”。

DSP 就是一个跑算法的芯片。它拥有数字时钟恢复功能、色散补偿功能（去除噪声、非线性干扰等因素影响），可以对抗和补偿失真，降低失真对系统误码率的影响。

（注意：DSP 这个东西，也不是所有的传统光模块都有。但是，在高速光模块中，对信号要求高，所以基本需要 DSP。）

除了 DSP 之外，光模块中主要的电芯片还包括激光驱动器（LDD）、跨阻放大器（TIA）、限幅放大器（LA）、时钟数据恢复芯片（CDR，Clock and Data Recovery）等。

CDR 也是用于数据还原。它从接收到的信号中提取出数据序列，并且恢复出与数据序列相对应的时钟时序信号，从而还原接收到的具体信息。

DSP 的功能很强大。但是，它的功耗和成本也很高。

例如，在 400G 光模块中，用到的 7nm DSP，功耗约为 4W，占到了整个模块功耗的 50% 左右。

从成本的角度来看，400G 光模块中，DSP 的 BOM（Bill of Materials，物料清单）成本约占 20-40%。

LPO 方案，就是把光模块中的 DSP / CDR 芯片干掉，将相关功能集成到设备侧的交换芯片中。

光模块中，只留下具有高线性度的 Driver（驱动芯片）和 TIA（Trans-Impedance Amplifier，跨阻放大器），并分别集成 CTLE（Continuous Time Linear Equalization，连续时间线性均衡）和 EQ（Equalization，均衡）功能，用于对高速信号进行一定程度的补偿。

如下图所示：

█ LPO 的优点

LPO 的优点，归纳来说，就是：低功耗、低成本、低延时、易维护。

低功耗

没有了 DSP，功耗肯定是下降了。

根据 Macom 的数据，具有 DSP 功能的 800G 多模光模块的功耗可超过 13W，而利用 MACOM PURE DRIVE 技术的 800G 多模光模块功耗低于 4W。

低成本

这个也不用说了。前面提到 DSP 的 BOM 成本约占 20-40%，这个就没有了。

Driver 和 TIA 集成了 EQ，成本略有增加，但整体还是下降的。

有业界机构分析：800G 光模块中，BOM 成本约为 600~700 美金，DSP 芯片的成本约为 50~70 美金。Driver 和 TIA 里集成了 EQ 功能，成本会增加 3~5 美金。算下来，系统总成本可以下降大约 8%，大约 50~60 美金。

值得一提的是，DSP 也是博通、Inphi 等少数厂商所掌握的技术。取消了 DSP，从某种程度上来说，也减少了对少数厂商的依赖。

低时延

没有了 DSP，减少了一个处理过程，数据的传输时延也随之下降。

这个优点，对于 AI 计算和超级计算场景尤为重要。

易维护

这是相对 CPO 方案来说的。

CPO 方案中，如果系统中任何一个器件坏了，就要下电，把整个板子换掉，维护起来很不方便。

LPO 的封装没有显著改变，支持热插拔，简化了光纤布线和设备维护，使用上更加方便。

█ LPO 的当前挑战

通信距离短

去掉 DSP，当然还是有代价的。TIA 和 Driver 芯片并不能完全替代 DSP，所以，会导致系统的误码率提升。误码率高了，传输距离自然就短了。

行业普遍认为，LPO 只适用于特定的短距离应用场景。例如，数据中心机柜内服务器到交换机的连接，以及数据中心机柜间的连接等。

发展初级的 LPO，连接距离从几米到几十米。未来，可能会拓展到 500 米以内。

标准化刚起步

目前，LPO 的标准化还处于早期阶段，在互联互通上可能会存在一些挑战。

对于企业来说，如果采用 LPO，那么，需要具备一定的技术能力，能够制定技术规格和方案，能够探索设备和模块的边界条件，能够进行大量的集成、互联互通测试。

换言之，LPO 目前更适合较为封闭和供应商单一的系统。如果采用多供应商，自己又没有实力驾驭，那么，可能存在“问题较难界定，相互扯皮”的问题，还不如使用传统 DSP 方案。

此外，也有专家指出，LPO 给系统侧的电通道设计带来了一定挑战。目前 SerDes 主流规格是 112G，很快将升级到 224G。专家们认为，LPO 没办法跟上 224G SerDes 的要求。

█ LPO 的产业化进展

LPO 方案其实之前就有企业提出过，但是因为技术限制，没有做出什么成果。

今年的 OFC 大会上，LPO 再次被提出，很快成为行业关注的焦点。

AWS、Meta、微软、谷歌等国际市场主要客户，都对 LPO 表示了兴趣。众多光通信巨头，也纷纷投入资源进行研发。

目前，中际旭创、新易盛、剑桥科技等公司，均推出了 800G LPO 解决方案。近期，应该已有企业实现了小规模出货。

LPO 方案的关键，还是在于芯片。高线性度 TIA&Driver 的主要供应商，有 Macom、Semtech、美信等。

根据预测，2024 年，LPO 将实现规模商业化。行业里比较乐观的机构认为，未来 LPO 能占据一半的市场份额。保守一些的机构则认为，CPO / LPO 的份额将在 2026 年达到 30% 左右。。

█ 结语

好啦，以上就是关于 LPO 的介绍。

LPO 的逻辑本质，就是平衡和取舍。它基于特定的应用场景（短距离），舍弃了 DSP / CDR，牺牲了一点性能（误码率），但是，换来了更低的功耗、成本和时延。

它和 CPO 各有所长，虽然诞生的时间比 CPO 更晚，但落地的速度，会比 CPO 更快。

按目前的趋势，LPO 将是 800G 时代最具潜力的技术路线。

随着 AIGC 浪潮的发展，数据中心光网络将加速向 800G 演进。LPO 的黄金时代，即将到来。

—— The End ——

参考文献：

• 1、《硅光在新一代 PON、800G 互联和相干下沉应用及产业化》，潘栋；

• 2、《AI 时代的光通信机遇和挑战》，李俊杰；

• 3、《LPO vs CPO 谁将主宰未来数据中心光互联》，薛振峰；

• 4、《800G 光模块，AI 算力底座》，兴业证券；

• 5、《AI 算力时代，光模块新技术演进路径》，长城证券；

• 6、《LPO 技术是 800G 时代最具潜力路线 有望在 2024 年底迎来量产》，国盛证券；

• 7、《揭秘智算中心网络建设新利器：LPO 技术的出现》，锐捷网络；

• 8、《线性驱动光模块专家交流会纪要》。

本文来自微信公众号：鲜枣课堂 （ID：xzclasscom），作者：小枣君

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