什么是LPO光模块

近年来，光通信行业发展迅速，得益于5G和人工智能的推动，光纤基础设施迅速增长。数据中心网络速率正逐渐从400G发展到800G和1.6T，甚至在不久的将来可达到3.2T。数据中心网络的快速发展推动了光模块速率的不断提高。然而，为了满足现代高性能网络的需求，光模块需要在速率之外在多个方面进行提升，包括功耗、封装等。这导致了各种新技术的出现。

光模块开发面临的挑战

技术迭代不仅仅是数字的翻倍。在达到400G阶段之后，解决数据传输速率提升问题的同时，也必须面临增加的功耗和成本所带来的挑战。

在早期，一个10G光模块的功耗约为1W。然而，在达到400G和800G的阶段，光模块的功耗急剧增加，达到30W，占整个设备总功耗的40%或更多。与2010年相比，2022年的总功耗增加了22倍。光通信设备能源消耗的增加给整个数据中心的能源利用和成本带来了巨大的负担。为了解决这些问题，行业探索了两种主要解决方案，即CPO（常规可插拔光模块）和LPO（线性驱动可插拔光模块）。

LPO光模块概述

什么是LPO技术

LPO（线性驱动可插拔光模块）是一种光模块封装技术。它采用线性驱动策略，通过使用具有优异线性度和均衡能力的转阻放大器（TIA）和驱动芯片（DRIVER）来替代DSP。LPO利用专用的组件，包括ASIC基板、ASIC（重定时器）和ASIC芯片，来优化信号处理，并在光通信系统中实现高效的即插即用功能。

LPO光模块：采用线性驱动技术的创新模块

LPO光模块在其数据通信中使用线性模拟组件，无需复杂的CDR或DSP系统。与DSP解决方案相比，LPO光模块在功耗和延迟上更低，适用于AI计算中心中短距离、高带宽、低功耗和低延迟的数据通信需求。

什么是DSP和CDR

DSP是一种运行在芯片上的算法。并非所有传统的光模块都采用数字信号处理（DSP）技术，但对于满足高速光模块的信号处理需求至关重要。它具有数字时钟恢复功能和色散补偿功能，可以减少对系统误码率的影响。然而，DSP也具有较高的功耗和成本。例如，在400G光模块中，使用7nm的DSP，功耗约为4W，约占整个模块功耗的50%。

时钟数据恢复（CDR）也用于数据恢复。它从接收到的信号中提取数据序列，并恢复与数据序列对应的时钟定时信号，从而恢复接收到的特定信息。

理解线性驱动技术

LPO解决方案的线性驱动技术是将光模块中的DSP/CDR芯片移除，并将相关功能集成到设备端的交换芯片中。在光模块中，只保留了具有高线性度的驱动芯片（DRIVER）和转阻放大器（TIA），同时分别集成了连续时间线性均衡（CTLE）和等化（EQ）功能，以在一定程度上补偿高速信号。

LPO光模块优势

与传统光模块相比，LPO光模块的优势主要体现在功耗、成本、延迟和维护四个方面。

低功耗

去掉DSP无疑会显著降低功耗。正如Macom的数据所示，一个集成了DSP功能的800G多模光模块的功耗可以超过13W。相比之下，一个采用线性驱动技术的800G LPO光模块明显具有更低的功耗，仅4W。

低成本

正如之前提到的，DSP的物料清单（BOM）成本占据了很大一部分，约为20-40％，而去除DSP后，这部分成本可有效降低。将EQ功能集成到驱动器和TIA中会引入一定的额外成本，但整体支出会有净降低。根据行业分析，在使用800G光模块的情况下，BOM成本估计约为4316-5036元，其中DSP芯片的成本范围为360-504元。将EQ功能纳入驱动器和TIA中会导致微小的成本增加，范围为22-36元。通过这种计算方法，整体系统成本将实现约8％的降低，相当于节省了大约356-432元。

低延迟

去除DSP会减少一个处理步骤，从而降低数据传输的延迟。这个优势在人工智能计算场景中尤为重要，因为最小化延迟是实现出色性能的关键因素。

简易维护

在CPO框架内，如果系统设备发生故障，需要关闭电源并更换整个板卡，这对于维护任务来说是相当不便的。相比之下，LPO光模块的可插拔使得在不关闭整个系统的情况下能够高效更换，进一步提升了LPO解决方案的整体便利性，简化光纤布线和设备维护流程。

LPO光模块目前面临的挑战

对于LPO光模块来说，目前存在两个主要问题需要解决。

短传输距离

删除DSP功能会产生一定成本。TIA和驱动芯片无法完全取代DSP，因此系统的误码率会增加。误码率增加会导致传输距离不可避免地缩短。行业通常认为，LPO光模块只适用于特定的短距离应用场景，例如数据中心机柜内部的服务器与交换机之间的连接。LPO光模块可以连接几米到几十米的距离。未来，可能会扩展到500m内的距离。

LPO技术的标准化尚未实现

LPO技术的标准化仍处于早期阶段，因此可能存在一些互操作性问题。因此，LPO技术目前更适合于相对封闭且只有一个源的系统。实施LPO技术的企业必须具备一定的技术能力，包括设计技术规范和解决方案的能力，调查设备和光模块的边界条件，并进行大量的集成和互操作性测试。

此外，一些专家指出，LPO技术给系统端的电信道带来重要的设计问题。目前SerDes的主流规范是112G，不久将升级到224G。专家认为，LPO技术无法满足224G SerDes的要求。

结论

LPO技术的发展标志着光模块技术的重要突破。其主要区别在于采用线性驱动技术，用标准光模块替代DSP，并带来了功耗和价格降低等优势。尤其是在低功耗、经济性、低延迟和易维护等关键问题需要关注的情况下，LPO光模块是提高光通信系统效率和性能的理想选择。