Cos'è il Transceiver LPO?

Il settore delle comunicazioni ottiche ha compiuto progressi significativi negli ultimi anni, alimentati dal 5G e dall'AI, con conseguente rapida crescita dell'infrastruttura ottica. La velocità delle reti di data center si sta gradualmente sviluppando da 400G a 800G e 1,6T, e nel prossimo futuro raggiungerà addirittura 3,2T. Il rapido sviluppo delle reti di data center ha stimolato continui progressi nella velocità dei moduli ottici. Tuttavia, per soddisfare le esigenze delle moderne reti ad alte prestazioni, i ricetrasmettitori ottici devono evolvere in vari aspetti oltre alla semplice velocità, tra cui il consumo energetico, il packaging e altro ancora. Ciò ha portato alla nascita di diverse nuove tecnologie.

Indice dei Contenuti

Sfide nello Sviluppo di Transceiver

Introduzione del Transceiver LPO

Vantaggi del Transceiver LPO

Le Sfide Attuali del Transceiver LPO

Conclusione

Sfide nello Sviluppo dei Transceiver

L'iterazione tecnologica non si limita a raddoppiare i numeri. Dopo aver raggiunto la fase 400G, diventa imperativo affrontare non solo il miglioramento della velocità di trasmissione dei dati, ma anche le sfide associate all'aumento del consumo energetico e dei costi.

Agli inizi, un ricetrasmettitore 10G consumava appena 1W di potenza. Fino al 400G e all'800G, il consumo di energia dei ricetrasmettitori è aumentato, raggiungendo i 30W e rappresentando il 40% o più del consumo totale di energia della macchina. Rispetto al 2010, la potenza totale nel 2022 è aumentata di 22 volte. L'aumento del consumo energetico dei dispositivi di comunicazione ottica comporta un notevole onere per l'utilizzo complessivo di energia e per i costi dell'intero data center. Per affrontare queste sfide, il settore ha esplorato due soluzioni principali, l'ottica pluggable convenzionale (CPO) e l'ottica pluggable a trasmissione lineare (LPO).

Introduzione del Transceiver LPO

Cos'è la Tecnologia LPO?

LPO (Linear-drive Pluggable Optics) è una tecnologia di packaging per ricetrasmettitori. Utilizza una strategia di pilotaggio lineare per sostituire i DSP con un amplificatore a transimpedenza (TIA) e un chip driver (DRIVER) con eccellenti capacità di linearità ed equalizzazione. Utilizza componenti specializzati, tra cui substrati ASIC, ASIC (Retimer) e die ASIC, per ottimizzare l'elaborazione del segnale e consentire un'efficiente funzionalità plug-and-play nei sistemi di comunicazione ottica.

LPO Transceiver: Moduli Innovativi con Tecnologia ad Azionamento Lineare

Il transceiver LPO utilizza componenti analogici lineari per la comunicazione dei dati, eliminando la necessità di complessi sistemi CDR o DSP. Rispetto alle soluzioni DSP, il transceiver LPO presenta notevoli risparmi in termini di consumo energetico e latenza, rendendolo adatto alle esigenze di comunicazione di dati a corto raggio, a elevata larghezza di banda, a basso consumo e a bassa latenza nei centri di calcolo AI.

Cosa sono DSP e CDR?

Non tutti i transceiver tradizionali incorporano l'elaborazione digitale del segnale (DSP). Tuttavia, nei transceiver ad alta velocità, dove prevalgono requisiti di segnale molto severi, il DSP diventa essenziale. Il DSP è un algoritmo che funziona su chip e che si rivela fondamentale per soddisfare le esigenze di elaborazione del segnale dei transceiver ad alta velocità. Dispone di una funzione di recupero del clock digitale e di una funzione di compensazione della dispersione, in grado di ridurre la distorsione sull'impatto del BER del sistema. Tuttavia, ha anche un consumo energetico e costi elevati. Ad esempio, nel transceiver 400G, il DSP a 7 nm utilizzato ha un consumo energetico di circa 4 W, pari a circa il 50% del consumo energetico dell'intero modulo.

Il Clock Data Recovery (CDR) viene utilizzato anche per il ripristino dei dati. Estrae la sequenza di dati dal segnale ricevuto e recupera il segnale di temporizzazione del clock corrispondente alla sequenza di dati, ripristinando così le informazioni specifiche ricevute.

Conoscere la Tecnologia degli Azionamenti Lineari

La tecnologia linear-drive della soluzione LPO consiste nel rimuovere il chip DSP/CDR dal transceiver e integrare le relative funzioni nel chip di commutazione sul lato del dispositivo. Nel transceiver rimangono solo il chip driver (DRIVER) e l'amplificatore di trans-impedenza (TIA) ad alta linearità, mentre le funzioni di equalizzazione lineare a tempo continuo (CTLE) e di equalizzazione (EQ) sono integrate, rispettivamente, per compensare in una certa misura i segnali ad alta velocità.

Vantaggi del Transceiver LPO

Rispetto ai transceiver tradizionali, i vantaggi del transceiver LPO si riflettono principalmente nei quattro aspetti del consumo energetico, del costo, della latenza e della manutenzione.

Basso Consumo Energetico

L'assenza di DSP comporta indubbiamente una significativa riduzione del consumo energetico. Come indicato dai dati di Macom, un transceiver multimodale 800G che incorpora funzionalità DSP può superare i 13W di consumo energetico. Al contrario, un transceiver 800G LPO che sfrutta la tecnologia linear-drive presenta un consumo energetico notevolmente ridotto, inferiore a 4W.

Basso Costo

Come evidenziato in precedenza, il costo della distinta base (BOM) attribuito al DSP costituisce una parte significativa, compresa tra il 20 e il 40%, e questo costo viene effettivamente eliminato con la rimozione del DSP. L'integrazione della funzionalità EQ sia nel driver che nel TIA introduce un leggero costo incrementale. Tuttavia, la spesa complessiva subisce una riduzione netta. Secondo le analisi del settore, nel contesto di un transceiver 800G, il costo della distinta base è stimato in circa 600-700 dollari, con il solo chip DSP che rappresenta una fascia di costo di 50-70 dollari. L'inclusione della funzionalità EQ nel driver e nel TIA comporta un aumento marginale dei costi, compreso tra 3 e 5 dollari. Grazie a questo approccio calcolato, il costo complessivo del sistema si riduce di circa l'8%, il che si traduce in un risparmio di circa 50-60 dollari.

Bassa Latenza

L'eliminazione del DSP comporta la riduzione di una fase di elaborazione, diminuendo di conseguenza la latenza di trasmissione dei dati. Questo vantaggio è particolarmente importante negli scenari di calcolo dell'intelligenza artificiale, dove la riduzione della latenza è un fattore cruciale per ottenere prestazioni ottimali.

Manutenzione Semplice

Nell'ambito del CPO, la necessità di spegnere e sostituire l'intera scheda in caso di malfunzionamento di un dispositivo di sistema rappresenta un notevole inconveniente per le attività di manutenzione. Al contrario, la natura collegabile dei ricetrasmettitori LPO consente una sostituzione efficiente senza la necessità di spegnere l'intero sistema, migliorando ulteriormente la convenienza complessiva della soluzione LPO. Questo non solo semplifica il cablaggio della fibra, ma snellisce anche la manutenzione delle apparecchiature.

Le Sfide Attuali del Transceiver LPO

Per i transceiver LPO, attualmente sono due le sfide principali che devono essere affrontate.

Breve Distanza di Trasmissione

L'eliminazione del DSP comporta un costo. I chip TIA e driver non possono sostituire completamente il DSP, quindi il tasso di errore di bit del sistema aumenterà. Con un tasso di errore di bit maggiore, la distanza di trasmissione si riduce inevitabilmente. Di solito il settore ritiene che il ricetrasmettitore LPO sia appropriato solo per specifici scenari applicativi a breve distanza, come il collegamento tra server e switch all'interno di armadi per data center. Il ricetrasmettitore LPO può collegare distanze che vanno da pochi metri a decine di metri. In futuro potrà essere esteso fino a 500 metri.

Nessuna Standardizzazione della Tecnologia LPO

La standardizzazione dell'LPO è ancora nelle sue fasi iniziali, quindi potrebbero esserci problemi di interoperabilità. Pertanto, la tecnologia LPO è attualmente più adatta a sistemi ragionevolmente chiusi e con un'unica fonte. Le imprese che implementano la tecnologia LPO devono possedere determinate capacità tecniche, tra cui la capacità di progettare specifiche tecniche e soluzioni, studiare le condizioni al contorno dei dispositivi e dei ricetrasmettitori e condurre un numero significativo di test di integrazione e interoperabilità.

Inoltre, diversi esperti hanno notato che la tecnologia LPO presenta notevoli problemi di progettazione per i canali elettrici sul lato del sistema. L'attuale specifica mainstream di SerDes è 112G, che sarà presto aggiornata a 224G. Gli esperti ritengono che la tecnologia LPO non possa soddisfare i criteri del 224G SerDes.

Conclusione

Lo sviluppo della tecnologia LPO segna un importante passo avanti nei transceiver ottici. Il principale elemento di differenziazione è l'uso della tecnologia linear-drive, che sostituisce il DSP nei transceiver standard e offre vantaggi quali la riduzione dei consumi e dei prezzi. Il transceiver LPO è quindi un'alternativa promettente per migliorare l'efficienza e le prestazioni dei sistemi di comunicazione ottici, soprattutto in contesti in cui il basso consumo energetico, l'economicità, la bassa latenza e la facilità di manutenzione sono fattori essenziali.