Was ist der LPO-Transceiver?

Die optische Kommunikationsbranche hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte erzielt, die durch 5G und KI vorangetrieben wurden und zu einem schnellen Wachstum der optischen Infrastruktur geführt haben. Die Geschwindigkeit von Rechenzentrumsnetzwerken entwickelt sich allmählich von 400G zu 800G und 1,6T und wird in naher Zukunft sogar 3,2T erreichen. Die rasante Entwicklung von Rechenzentrumsnetzwerken hat zu kontinuierlichen Fortschritten bei der Geschwindigkeit von optischen Modulen geführt. Um den Anforderungen moderner Hochleistungsnetzwerke gerecht zu werden, müssen optische Transceiver jedoch nicht nur in Bezug auf die Geschwindigkeit weiterentwickelt werden, sondern auch in Bezug auf den Stromverbrauch, das Packaging und andere Aspekte. Dies hat zum Aufkommen verschiedener neuer Technologien geführt.

Inhaltsverzeichnis

Herausforderungen bei Entwicklung von Transceivern

Die Einführung des LPO-Transceiver

Die Vorteile des LPO-Transceiver

Die aktuellen Herausforderungen von LPO-Transceiver

Fazit

Herausforderungen bei Entwicklung von Transceivern

Bei der technologischen Weiterentwicklung geht es um mehr als nur um die Verdoppelung von Zahlen. Sobald die 400G-Stufe erreicht wurde, muss nicht nur die Datenübertragungsgeschwindigkeit erhöht werden, sondern auch die Herausforderungen im Zusammenhang mit dem erhöhten Stromverbrauch und den Kosten.

In den Anfängen verbrauchte ein 10G-Transceiver nur etwa 1 Watt Strom. Bis 400G und 800G stieg der Stromverbrauch von Transceivern sprunghaft an und erreichte 30 W, was 40 % oder mehr des gesamten Stromverbrauchs der Maschine ausmachte. Im Vergleich zu 2010 ist die Gesamtleistung im Jahr 2022 um das 22-fache gestiegen. Der Anstieg des Energieverbrauchs von optischen Kommunikationsgeräten stellt eine große Belastung für den Gesamtenergieverbrauch und die Kosten des gesamten Rechenzentrums dar. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, hat die Industrie zwei Hauptlösungen erforscht: Conventional Pluggable Optics (CPO) und Linear-Drive Pluggable Optics (LPO).

Einführung von LPO-Transceivern

Was ist die LPO-Technologie?

LPO (Linear-drive Pluggable Optics) ist eine Transceiver-Packaging-Technologie. Sie nutzt eine lineare Antriebsstrategie, um DSPs durch einen Transimpedanzverstärker (TIA) und einen Treiberchip (DRIVER) mit hervorragender Linearität und EQ-Fähigkeiten zu ersetzen. Sie nutzt spezialisierte Komponenten, einschließlich ASIC-Substrate, ASIC (Retimer) und ASIC-Die, um die Signalverarbeitung zu optimieren und eine effiziente Plug-and-Play-Funktionalität in optischen Kommunikationssystemen zu ermöglichen.

LPO-Transceiver: Innovative Module mit Linear-Drive-Technologie

Der LPO-Transceiver verwendet lineare analoge Komponenten für die Datenkommunikation, wodurch komplexe CDR- oder DSP-Systeme überflüssig werden. Im Vergleich zu DSP-Lösungen weist der LPO-Transceiver erhebliche Einsparungen beim Stromverbrauch und bei der Latenzzeit auf, wodurch er sich für die Anforderungen der Datenkommunikation mit kurzer Reichweite, hoher Bandbreite, geringem Stromverbrauch und niedriger Latenzzeit in KI-Rechenzentren eignet.

Was sind DSP und CDR?

Nicht alle herkömmlichen Transceiver sind mit digitaler Signalverarbeitung (DSP) ausgestattet. In Hochgeschwindigkeits-Transceivern, bei denen strenge Signalanforderungen vorherrschen, ist DSP jedoch unerlässlich. DSP ist ein im Chip laufender Algorithmus, der sich als entscheidend für die Erfüllung der anspruchsvollen Signalverarbeitungsanforderungen von Hochgeschwindigkeits-Transceivern erweist. Er verfügt über eine digitale Taktrückgewinnungsfunktion und eine Dispersionskompensationsfunktion, die die Auswirkungen von Verzerrungen auf die BER des Systems verringern kann. Allerdings ist er auch mit einem hohen Stromverbrauch und hohen Kosten verbunden. Bei einem 400G-Transceiver beispielsweise beträgt der Stromverbrauch des 7nm-DSPs etwa 4 W, was etwa 50 % des Stromverbrauchs des gesamten Moduls ausmacht.

Clock Data Recovery (CDR) wird ebenfalls zur Datenwiederherstellung verwendet. Sie extrahiert die Datenfolge aus dem empfangenen Signal und stellt das der Datenfolge entsprechende Taktsignal wieder her, wodurch die spezifischen empfangenen Informationen wiederhergestellt werden.

Verstehen der Linear-Drive-Technologie

Die Linear-Drive-Technologie der LPO-Lösung besteht darin, den DSP/CDR-Chip im Transceiver zu entfernen und die entsprechenden Funktionen in den Schaltchip auf der Geräteseite zu integrieren. Im Transceiver sind nur noch der Treiberchip (DRIVER) und der Transimpedanzverstärker (TIA) mit hoher Linearität vorhanden, während die Funktionen Continuous Time Linear Equalization (CTLE) und Equalization (EQ) integriert sind, um Hochgeschwindigkeitssignale bis zu einem gewissen Grad zu kompensieren.

Vorteile von LPO-Transceivern

Im Vergleich zu herkömmlichen Transceivern liegen die Vorteile von LPO-Transceivern hauptsächlich in den vier Aspekten Stromverbrauch, Kosten, Latenzzeit und Wartung.

Geringer Stromverbrauch

Der Verzicht auf DSP führt zweifellos zu einer erheblichen Reduzierung des Stromverbrauchs. Wie aus den Daten von Macom hervorgeht, kann der Stromverbrauch eines 800G-Multimode-Transceivers mit DSP-Funktionalität 13 W übersteigen. Im Gegensatz dazu weist ein 800G-LPO-Transceiver, der die Linear-Drive-Technologie nutzt, einen bemerkenswert niedrigen Stromverbrauch von weniger als 4 W auf.

Niedrige Kosten

Wie bereits erwähnt, machen die Stücklistenkosten für den DSP einen beträchtlichen Anteil aus, der zwischen 20 und 40 % liegt, und diese Kosten entfallen durch den Wegfall des DSP. Die Integration der EQ-Funktionalität sowohl in den Treiber als auch in die TIA führt zu geringfügigen Mehrkosten. Die Gesamtausgaben sinken jedoch unter dem Strich. Branchenanalysen zufolge werden die Stücklistenkosten für einen 800G-Transceiver auf etwa 60–700 Dollar geschätzt, wobei der DSP-Chip allein einen Kostenbereich von 50–70 Dollar ausmacht. Die Einbeziehung der EQ-Funktionalität in den Treiber und die TIA führt zu einem marginalen Kostenanstieg, der zwischen 3 und 5 Dollar liegt. Auf diese Weise lassen sich die Gesamtkosten des Systems um etwa 8 % senken, was einer Einsparung von etwa 50–60 Dollar entspricht.

Geringe Latenz

Durch den Wegfall des DSP wird ein Verarbeitungsschritt eingespart, so dass die Latenzzeit bei der Datenübertragung sinkt. Dieser Vorteil ist besonders wichtig für KI-Computing-Szenarien, bei denen eine minimale Latenzzeit ein entscheidender Faktor für optimale Leistung ist.

Einfache Wartung

Im Rahmen von CPO stellt die Notwendigkeit, bei einer Fehlfunktion eines Systemgeräts die gesamte Platine auszuschalten und auszutauschen, eine erhebliche Unannehmlichkeit für die Wartung dar. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Steckbarkeit der LPO-Transceiver einen effizienten Austausch, ohne dass das gesamte System abgeschaltet werden muss, was den Gesamtkomfort der LPO-Lösung weiter erhöht. Dies vereinfacht nicht nur die Glasfaserverkabelung, sondern auch die Wartung der Geräte.

Die aktuellen Herausforderungen von LPO-Transceivern

Für LPO-Transceiver gibt es derzeit zwei große Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt.

Kurze Übertragungsstrecke

Das Löschen des DSP ist mit Kosten verbunden. TIA- und Treiberchips können den DSP nicht vollständig ersetzen, so dass die Bitfehlerrate des Systems ansteigen wird. Mit einer höheren Bitfehlerrate wird die Übertragungsstrecke zwangsläufig kürzer. In der Branche wird der LPO-Transceiver in der Regel nur für bestimmte Anwendungsszenarien mit kurzen Entfernungen als geeignet angesehen, z. B. für die Verbindung zwischen Servern und Switches in Rechenzentrumsschränken. Der LPO-Transceiver kann Entfernungen von einigen wenigen bis zu einigen zehn Metern überbrücken. In Zukunft könnte die Reichweite auf bis zu 500 Meter erweitert werden.

Keine Standardisierung der LPO-Technologie

Die LPO-Standardisierung befindet sich noch in der Anfangsphase, daher kann es zu Problemen mit der Interoperabilität kommen. Daher ist die LPO-Technologie derzeit besser für Systeme geeignet, die relativ geschlossen sind und nur eine Quelle haben. Unternehmen, die die LPO-Technologie einsetzen, müssen über bestimmte technische Fähigkeiten verfügen, darunter die Fähigkeit, technische Spezifikationen und Lösungen zu entwerfen, die Randbedingungen von Geräten und Transceivern zu untersuchen und eine große Anzahl von Integrations- und Interoperabilitätstests durchzuführen.

Darüber hinaus haben mehrere Experten festgestellt, dass die LPO-Technologie erhebliche Designprobleme für die elektrischen Kanäle auf der Systemseite mit sich bringt. Die derzeitige Mainstream-Spezifikation von SerDes ist 112G, die bald auf 224G aktualisiert wird. Experten sind der Meinung, dass die LPO-Technologie die Kriterien von 224G SerDes nicht erfüllen kann.

Zusammenfassung

Die Entwicklung der LPO-Technologie stellt einen wichtigen Sprung bei den optischen Transceivern dar. Das Hauptunterscheidungsmerkmal ist die Verwendung der Linear-Drive-Technologie, die den DSP bei Standard-Transceivern ersetzt und Vorteile wie einen geringeren Stromverbrauch und niedrigere Preise bietet. LPO-Transceiver sind daher eine vielversprechende Alternative zur Verbesserung der Effizienz und Leistung optischer Kommunikationssysteme, insbesondere in Bereichen, in denen geringer Stromverbrauch, Kosteneffizienz, niedrige Latenzzeiten und Wartungsfreundlichkeit von entscheidender Bedeutung sind.