LPO vs CPO : Qui Dominera l'Interconnexion Optique des Centres de Données ?

Dans le domaine en constante expansion des centres de données, où la vitesse et l'efficacité sont primordiales, la bataille pour la domination des interconnexions optiques a atteint un point crucial. Deux technologies redoutables, l'oscillateur laser à verrouillage de phase (LPO) et l'oscillateur cohérent à verrouillage de phase (CPO), se sont imposées comme les principales concurrentes dans la course à la révolution de l'interconnectivité optique des centres de données. Cet article se penche sur les subtilités du LPO et du CPO, en explorant leurs caractéristiques uniques, leurs forces et leurs défis.

L'essor du CPO et du LPO

La consommation d'énergie d'un module optique 10Gb n'est que d'environ 1W. Avec la mise à niveau des modules optiques 400G et 800G, la consommation d'énergie des modules optiques a grimpé en flèche, la forçant à atteindre 30 W. Un switch peut avoir plus d'un module optique. S'il est complètement chargé, il y a souvent des dizaines de modules optiques (s'il y en a 48, cela fait 48 × 30 = 1440 W). La consommation électrique du module optique représente environ 40 % ou plus de la consommation électrique de l'ensemble de la machine. La consommation d'énergie de l'ensemble de la machine peut dépasser 3 000 W. L'augmentation de la consommation d'énergie des équipements de communication optique exerce également une pression énorme sur la consommation d'énergie et le coût de l'ensemble du centre de données, et il est urgent de réduire la consommation d'énergie et le coût, d'où l'apparition des solutions CPO/LPO.

L'émergence du CPO/LPO est rapidement devenue deux mots à la mode dans l'industrie des modules optiques, et les principaux fabricants ont accéléré la mise en place du programme correspondant.

Qu'est-ce que le CPO ?

Le CPO (Co-Packaged Optics) est une technologie innovante qui fait référence à l'intégration électro-optique où le moteur optique et la puce de commutation sont encapsulés ensemble, plutôt que d'utiliser un format de module optique enfichable. Cette approche permet une transmission plus rapide des signaux électriques entre le moteur et la puce en réduisant la distance entre le moteur optique et la puce de commutation. Elle permet de réduire la taille, de diminuer la consommation d'énergie et d'améliorer l'efficacité.

Pour plus d'informations sur le CPO, veuillez lire cet article : Une Vue d'Ensemble de l'Optique en Copackage

Développement Technologique du CPO

Plus précisément, l'itinéraire technique durable peut être mis en œuvre au cours de deux phases de développement des technologies de commutation photonique au silicium :

Phase 1 : Technologie de l'optique quasi intégrée (NPO). Cette technologie offre des avantages à faible coût et à faible consommation d'énergie le plus rapidement possible avant que l'écosystème de l'optique en boîtier (CPO) ne soit prêt.

Phase 2 : Technologie CPO. Il s'agit de la forme finale de commutation des technologies photoniques au silicium, qui permet de minimiser les coûts du réseau et la consommation d'énergie.

Un moteur optique assure la fonction de conversion optique/électrique d'un réseau de commutation. Il se présente le plus souvent sous une forme enfichable. Avec l'évolution des technologies, de nouvelles formes de produits apparaissent. La forme CPO assemble une puce de commutation et un moteur optique dans une fente, réalisant ainsi le copackage de la puce et du module. La forme NPO découple un moteur optique et une puce de commutation et les assemble sur la même carte système. Bien qu'un module photoélectrique existe dans les deux formes, il est emballé dans des positions différentes, la distance de câblage correspondante varie et la consommation d'énergie est également différente.

Les Avantages du CPO

Imaginez un scénario au sein d'une infrastructure de télécommunications de pointe, où l'optimisation de l'espace et l'efficacité énergétique sont primordiales pour supporter l'augmentation du trafic de données et des vitesses. L'intégration du CPO permet au système de fournir des performances supérieures grâce à des communications plus rapides et plus fiables, tout en ouvrant la voie à des conceptions rationalisées et respectueuses de l'énergie dans le paysage en constante évolution de la technologie des réseaux. Voici les avantages du CPO.

• Intégrité du signal améliorée : En réduisant considérablement la distance de transmission des signaux électriques embarqués, le CPO diminue sensiblement le besoin de compensation des signaux. Cette avancée facilite la conception de circuits imprimés plus polyvalents, ce qui permet une plus grande liberté de conception et une amélioration des performances.

• Conception compacte et intégration poussée : La méthode de CPO consistant à intégrer les composants photoniques et électroniques dans le même cadre d'emballage permet de réduire la taille par rapport à l'emballage traditionnel séparé des modules optiques et des puces électroniques. Cette compacité est particulièrement bénéfique pour les applications dans les circuits intégrés à haute densité, où l'espace est compté.

• Réduction du temps de latence : L'utilisation du processus CMOS pour l'intégration de dispositifs électriques et optiques se traduit par une réduction de la consommation d'énergie, ce qui constitue une amélioration par rapport aux technologies LPO conventionnelles. Les modules optiques et les puces électroniques étant enfermés dans un seul boîtier, le chemin de transfert des signaux est raccourci, ce qui permet de réduire considérablement le temps de latence par rapport aux méthodes d'emballage séparées.

LightCounting a déclaré dans son rapport de décembre 2022 que la demande de HPC pour les taux de réseau est plus de 10 fois supérieure au taux actuel, et dans ce contexte, le CPO devrait réduire de 50 % la consommation d'énergie de l'architecture actuelle des modules optiques enfichables, ce qui résoudra efficacement le problème des difficultés de transmission d'interconnexion à grande vitesse et à haute densité. Les fournisseurs nationaux poursuivent également le développement de la technologie CPO.

Qu'est-ce que le LPO ?

LPO, qui signifie Linear Drive Pluggable Optics, fait référence à l'utilisation de la technologie linéaire à entraînement direct dans les modules de fibre optique. Cette approche élimine les composants traditionnels tels que les puces DSP (Digital Signal Processor) et CDR (Clock Data Recovery), ce qui réduit la consommation d'énergie et la latence au sein du système. Il convient toutefois de noter qu'il y a un compromis, car ces avantages s'accompagnent d'une légère diminution des performances du système de correction des erreurs et d'une limitation de la distance de transmission. Cette technologie est particulièrement bien adaptée aux scénarios de communication à courte portée, comme ceux que l'on trouve dans les centres de données, où la vitesse élevée et la faible latence sont primordiales et où les distances impliquées ne nécessitent pas la correction d'erreur robuste généralement fournie par les puces DSP/CDR.

Module optique enfichable traditionnel : la puce DSP traite les signaux à grande vitesse pour atteindre un faible taux d'erreur sur les bits, mais la consommation d'énergie est importante. Prenant le module optique 400G à titre d'exemple, la consommation électrique du DSP 7 nm est d'environ 4 W, ce qui représente 50 % de la consommation électrique de l'ensemble du module.

Pour plus d’informations sur la LPO, veuillez lire cet article : Qu'est-ce que l'émetteur-récepteur LPO ?

Les Avantages du LPO

L'Optique Enfichable à Entraînement Linéaire (LPO) offre plusieurs avantages dans le domaine des interconnexions optiques. Ces avantages font de la LPO une solution prometteuse pour améliorer la connectivité des centres de données et répondre aux exigences sans cesse croissantes des environnements de réseau modernes. Voici quelques avantages clés de la LPO :

• Remplaçable à chaud et facile à entretenir : Contrairement au CPO, le LPO conserve le facteur de forme modulaire traditionnel pour les composants optiques, ce qui en fait une solution moins invasive. Si un dispositif d'un système CPO tombe en panne, il faut souvent démonter l'ensemble du switch, ce qui peut s'avérer gênant pour la maintenance. En revanche, la conception du LPO permet le remplacement à chaud, ce qui simplifie les remplacements et réduit les temps d'arrêt pour les utilisateurs.

• Réduction du temps de latence : La technologie LPO renonce à l'utilisation de processeurs de signaux numériques (DSP), éliminant ainsi la nécessité de restaurer le signal. Cette réduction des frais généraux de traitement diminue considérablement la latence du système, ce qui rend la technologie LPO bien adaptée aux applications où la synchronisation est critique, comme la communication inter-GPU dans un centre de calcul à haute performance (HPC).

• Réduction des coûts : L'absence de DSP permet non seulement de réduire la consommation d'énergie, mais aussi de diminuer les coûts d'exploitation. La technologie DSP est un savoir-faire de niche détenu par un petit nombre de fabricants comme Broadcom et Inphi. En ne s'appuyant pas sur les DSP, dans une certaine mesure, le LPO réduit également sa dépendance à l'égard de ces sources limitées, ce qui peut permettre de diversifier les chaînes d'approvisionnement et d'améliorer la compétitivité du marché.

Les parties prenantes de tout le spectre - des fabricants de puces en amont aux vendeurs de commutateurs et jusqu'aux utilisateurs finaux - accordent une grande importance au développement et à l'application de la technologie LPO (Linear Drive Pluggable Optics), ce qui laisse entrevoir de solides perspectives de déploiement commercial. Lors de l'OFC 2023, des entreprises de premier plan telles que Macom et Broadcom ont présenté leurs solutions à entraînement linéaire, signalant ainsi une tendance robuste dans l'industrie. Notamment, la solution linéaire d'Arista a été approuvée par d'importants fabricants de commutateurs, dont Innovium et NVIDIA, ce qui témoigne d'un consensus croissant sur la proposition de valeur de la technologie dans les scénarios de mise en réseau de pointe.

CPO vs LPO : Qui dominera l'interconnexion optique des centres de données ?

La LPO représente un compromis stratégique, adapté à des cas d'utilisation particuliers tels que les applications à courte distance. En renonçant à des composants tels que le DSP/CDR, il peut y avoir un compromis de performance marginal en termes de taux d'erreur binaire. Cependant, il offre des avantages substantiels en réduisant la consommation d'énergie, le coût et le temps de latence. Cette approche distingue la LPO de la CPO, avec un ensemble distinct d'avantages et d'inconvénients. Malgré son arrivée tardive sur la scène par rapport à la CPO, la LPO devrait être adoptée plus rapidement. Les différences entre le CPO et le LPO sont présentées dans le tableau ci-dessous.

Perspectives de développement et défis de la CPO/LPO

Perspectives de développement et défis du CPO

L'espace de marché futur des CPO est vaste

Le CPO permet d'améliorer la densité de l'interconnexion optique et devrait être progressivement commercialisé pour des applications de plus de 100T. LightCounting suggère que les livraisons de CPO devraient commencer par des ports 800G et 1,6T et qu'elles devraient commencer à être utilisées commercialement entre 2024 et 2025, avec une augmentation significative du volume entre 2026 et 2027, principalement dans des scénarios de communication de données à courte portée pour les fournisseurs de services cloud à grande échelle. Le CIR prévoit que d'ici 2027, les recettes du marché des optiques co-packagées atteindront 5,4 milliards de dollars.

Les ventes mondiales de ports CPO devraient passer de 50 000 en 2023 à 4,5 millions en 2027. En 2027, les ports CPO devraient représenter près de 30 % des expéditions totales dans les catégories 800G et 1,6T. Selon un rapport de Yole, le marché du CPO a généré des revenus d'environ 38 millions de dollars en 2022, avec des projections atteignant 2,6 milliards de dollars d'ici 2033. Le taux de croissance annuel composé (TCAC) pour la période de 2022 à 2033 est estimé à 46 %.

Challenges for CPO

Bien que la technologie CPO soit prometteuse pour les interconnexions optiques avancées, elle est confrontée à des défis liés à la maturité de la technologie, à l'urgence de l'adoption et aux considérations relatives au modèle d'entreprise. Il sera essentiel de relever ces défis pour que le CPO s'impose comme une solution viable et largement adoptée dans le domaine de l'interconnexion optique des centres de données.

• Voies technologiques et maturité : La technologie des Oscillateurs Cohérents à Verrouillage de Phase (CPO) en est encore à ses premiers stades de développement, et les voies technologiques doivent encore être affinées. Bien que la technologie CPO soit prometteuse, elle n'a pas encore atteint le stade d'une demande urgente ou d'une adoption généralisée. Les solutions enfichables traditionnelles continuent de dominer le marché, et il faudra du temps pour que le CPO devienne une option courante.

• L'urgence dans l'adoption : La demande de facteurs de forme CPO est relativement plus élevée à l'ère des modules optiques de 3,2 tonnes. Cependant, à l'ère actuelle de 1,6 T, les modules optiques enfichables offrent déjà des solutions grand public matures avec des configurations 8*200G, répondant ainsi efficacement aux exigences de l'industrie. L'absence d'urgence immédiate pour des solutions CPO à plus grande vitesse pourrait en ralentir l'adoption.

• Défis liés au modèle d'entreprise : La mise en œuvre de la technologie CPO nécessite une réserve importante de technologie photonique au silicium. L'intégration étroite des processus de fabrication dans la technologie CPO la rend susceptible d'être menée par les fabricants de puces de commutation. Toutefois, cette dépendance à l'égard de fabricants spécifiques pourrait avoir une incidence sur la progression et l'application généralisée de la technologie CPO. Il sera essentiel de surmonter ces difficultés liées au modèle commercial pour réussir l'intégration de la technologie CPO sur le marché.

Perspectives de développement et défis des LPO

Progrès de l'industrie du LPO : Parallèle national et international

Le LPO, en tant que technologie émergente, devrait atteindre la production de masse d'ici à la fin de 2024. Les principaux fabricants ont déjà dévoilé des produits connexes, les principaux fournisseurs tels que Macom, Semtech et MaxLinear ouvrant la voie, et Broadcom faisant progresser la recherche et le développement des produits respectifs. Les experts estiment que les fournisseurs nord-américains de services en nuage augmentent activement leurs ressources informatiques et qu'à l'avenir, des entreprises telles que Microsoft, Meta, AWS et Google pourraient progressivement adopter des solutions LPO.

Défis pour les LPO

Alors que l'oscillateur laser à verrouillage de phase (LPO) continue d'évoluer, il est également confronté aux défis suivants. En surmontant ces obstacles, la LPO peut libérer tout son potentiel et s'imposer comme une solution viable et compétitive sur le marché.

• Exigences en matière de collaboration : La mise en œuvre de solutions d'oscillateurs laser à verrouillage de phase (LPO) nécessite une coordination étroite entre les fournisseurs de LPO et les fabricants de commutateurs. Les fabricants de modules optiques sont donc davantage sollicités pour favoriser la collaboration à l'échelle de l'industrie, tant en amont qu'en aval.

• Courte distance de transmission : L'un des problèmes posés par la LPO est la suppression du composant de traitement numérique du signal (DSP). Cette suppression peut entraîner une augmentation du taux d'erreurs binaires dans le système, ce qui réduit les distances de transmission. Pour surmonter cette limitation, il faut s'efforcer de résoudre le problème de la portée limitée et d'optimiser les mécanismes de correction d'erreur du système.

• La normalisation aux premiers stades : La normalisation des LPO n'en est qu'à ses débuts. L'interopérabilité peut poser des problèmes. Les entreprises doivent posséder l'expertise technique nécessaire pour définir les spécifications techniques et les solutions, explorer les frontières entre les appareils et les modules, et mener des tests d'intégration et d'interopérabilité approfondis. En d'autres termes, le LPO s'adapte actuellement à des systèmes plus fermés avec un seul fournisseur. Si l'on opte pour une approche multifournisseur sans disposer de solides capacités internes, il peut être difficile de définir les problèmes et de désigner des coupables, auquel cas les solutions traditionnelles basées sur le DSP pourraient être préférables.

• Limites de la conception des canaux électriques : Les experts soulignent que la LPO présente certains défis pour la conception des canaux électriques du côté du système. La spécification principale pour les SerDes est actuellement de 112G, et devrait bientôt passer à 224G. On estime que la technologie LPO ne peut pas répondre aux exigences de la future norme SerDes 224G.

Conclusion

Alors que l'optique parallèle à grande échelle (LPO) et l'optique copackagée (CPO) apparaissent comme les tendances futures de l'interconnexion des centres de données, les modules optiques enfichables restent la norme actuelle. Pour répondre aux exigences croissantes de la puissance HPC, FS (Fiberstore) propose des modules Ethernet et InfiniBand enfichables 800G. Ces modules peuvent supporter des taux de transfert de données allant jusqu'à 800 gigabits par seconde, une capacité de bande passante vitale pour la performance des applications basées sur le HPC. Le tableau ci-dessous présente la liste des produits.