什麼是LPO光模組

近年來，光通信行業發展迅速，得益於5G和HPC的推動，光纖基礎設施迅速增長。數據中心網絡速率正逐漸從400G發展到800G和1.6T，甚至在不久的將來可達到3.2T。數據中心網絡的快速發展推動了光模組速率的不斷提高。然而，為了滿足現代高性能網絡的需求，光模組需要在速率之外在多個方面進行提升，包括功耗、封裝等。這導致了各種新技術的出現。

光模組開發面臨的挑戰

技術迭代不僅僅是數字的翻倍。在達到400G階段之後，解決數據傳輸速率提升問題的同時，也必須面臨增加的功耗和成本所帶來的挑戰。

在早期，一個10G光模組的功耗約為1W。然而，在達到400G和800G的階段，光模組的功耗急劇增加，達到30W，占整個設備總功耗的40%或更多。與2010年相比，2022年的總功耗增加了22倍。光通信設備能源消耗的增加給整個數據中心的能源利用和成本帶來了巨大的負擔。為了解決這些問題，行業探索了兩種主要解決方案，即CPO（常規可插拔光模組）和LPO（線性驅動可插拔光模組）。

LPO光模組概述

什麼是LPO技術

LPO（線性驅動可插拔光模組）是一種光模組封裝技術。它採用線性驅動策略，通過使用具有優異線性度和均衡能力的轉阻放大器（TIA）和驅動芯片（DRIVER）來替代DSP。LPO利用專用的組件，包括ASIC基板、ASIC（重定時器）和ASIC芯片，來優化信號處理，並在光通信系統中實現高效的即插即用功能。

LPO光模組：採用線性驅動技術的創新模塊

LPO光模組在其數據通信中使用線性模擬組件，無需複雜的CDR或DSP系統。與DSP解決方案相比，LPO光模組在功耗和延遲上更低，適用於計算中心中短距離、高帶寬、低功耗和低延遲的數據通信需求。

什麼是DSP和CDR

DSP是一種運行在芯片上的算法。並非所有傳統的光模組都採用數字信號處理（DSP）技術，但對於滿足高速光模組的信號處理需求至關重要。它具有數字時鐘恢復功能和色散補償功能，可以減少對系統誤碼率的影響。然而，DSP也具有較高的功耗和成本。例如，在400G光模組中，使用7nm的DSP，功耗約為4W，約佔整個模塊功耗的50%。

時鐘數據恢復（CDR）也用於數據恢復。它從接收到的信號中提取數據序列，並恢復與數據序列對應的時鐘定時信號，從而恢復接收到的特定信息。

理解線性驅動技術

LPO解決方案的線性驅動技術是將光模組中的DSP/CDR芯片移除，並將相關功能集成到設備端的交換芯片中。在光模組中，只保留了具有高線性度的驅動芯片（DRIVER）和轉阻放大器（TIA），同時分別集成了連續時間線性均衡（CTLE）和等化（EQ）功能，以在一定程度上補償高速信號。

LPO光模組優勢

與傳統光模組相比，LPO光模組的優勢主要體現在功耗、成本、延遲和維護四個方面。

低功耗

去掉DSP無疑會顯著降低功耗。正如Macom的數據所示，一個集成了DSP功能的800G多模光模組的功耗可以超過13W。相比之下，一個採用線性驅動技術的800G LPO光模組明顯具有更低的功耗，僅4W。

低成本

正如之前提到的，DSP的物料清單（BOM）成本佔據了很大一部分，約為20-40％，而去除DSP後，這部分成本可有效降低。將EQ功能集成到驅動器和TIA中會引入一定的額外成本，但整體支出會有凈降低。根據行業分析，在使用800G光模組的情況下，BOM成本估計約為4316-5036元，其中DSP芯片的成本範圍為360-504元。將EQ功能納入驅動器和TIA中會導致微小的成本增加，範圍為22-36元。通過這種計算方法，整體系統成本將實現約8％的降低，相當於節省了大約356-432元。

低延遲

去除DSP會減少一個處理步驟，從而降低數據傳輸的延遲。這個優勢在高性能計算場景中尤為重要，因為最小化延遲是實現出色性能的關鍵因素。

簡易維護

在CPO框架內，如果系統設備發生故障，需要關閉電源並更換整個板卡，這對於維護任務來說是相當不便的。相比之下，LPO光模組的可插拔使得在不關閉整個系統的情況下能夠高效更換，進一步提升了LPO解決方案的整體便利性，簡化光纖布線和設備維護流程。

LPO光模組目前面臨的挑戰

對於LPO光模組來說，目前存在兩個主要問題需要解決。

短傳輸距離

刪除DSP功能會產生一定成本。TIA和驅動芯片無法完全取代DSP，因此系統的誤碼率會增加。誤碼率增加會導致傳輸距離不可避免地縮短。行業通常認為，LPO光模組只適用於特定的短距離應用場景，例如數據中心機櫃內部的服務器與交換機之間的連接。LPO光模組可以連接幾米到幾十米的距離。未來，可能會擴展到500m內的距離。

LPO技術的標準化尚未實現

LPO技術的標準化仍處於早期階段，因此可能存在一些互操作性問題。因此，LPO技術目前更適合於相對封閉且只有一個源的系統。實施LPO技術的企業必須具備一定的技術能力，包括設計技術規範和解決方案的能力，調查設備和光模組的邊界條件，並進行大量的集成和互操作性測試。

此外，一些專家指出，LPO技術給系統端的電信道帶來重要的設計問題。目前SerDes的主流規範是112G，不久將升級到224G。專家認為，LPO技術無法滿足224G SerDes的要求。

結論

LPO技術的發展標誌着光模組技術的重要突破。其主要區別在於採用線性驅動技術，用標準光模組替代DSP，並帶來了功耗和價格降低等優勢。尤其是在低功耗、經濟性、低延遲和易維護等關鍵問題需要關注的情況下，LPO光模組是提高光通信系統效率和性能的理想選擇。