新型光互连架构助力高速数据中心网络

11/23/2023，光纤在线讯，摘要：随着数据中心网络向太比特速率扩展，诸如同封装光学（CPO）之类的新型光互连架构应运而生，以高效的方式提供所需带宽。本文检视CPO背后的动机，它在光互联网论坛（OIF）最近发布的CPO模块标准中的实现情况，以及可能的采用障碍以阐明CPO的概念及其相对现有的插装光模块的优势。尽管CPO承诺显着的功率降低，但围绕供应商锁定、可靠性和插装产品的持续进步等问题仍存在疑虑。但标准的制定对CPO成为颠覆性光技术迈出了重要一步。

简介：

     数据中心网络持续扩展以跟上云计算、5G、AI等带宽密集型应用推动的数据强需求的世界。随着速率从400G提升到800G再到1.6T及以上，现有的电气和光互连面临提供所需带宽的能效挑战，推动了CPO等新型光互连架构的出现。

     CPO通过在交换机ASIC旁紧密集成光引擎来最小化互联损耗和延迟，有别于传统通过电气迹线将信号路由到前面板的插装光模块的做法。如文中所述，相比插装模块，CPO可将每比特能耗降低5倍或更多。但CPO的实现伴随集成、热管理和供应商锁定等挑战。

     本文检视CPO的动机、在OIF最近发布的标准中的实施情况，及可能的采用障碍。尽管业内对CPO和插装产品路线图存在疑问，但标准的制定是这项潜在颠覆性技术迈出的重要一步。

采用CPO技术的动机

     CPO技术主要解决数据中心网络中存在的带宽和功耗瓶颈，特别是交换机与光模块之间的互连环节。随着速率进入太比特时代，现有插装模块的能耗低效已越来越不可持续。

     如文中图1所示，插装光模块需要信号在交换机ASIC和前面板模块之间经过长PCB迹线传输，依靠功率密集型SerDes，每400G以太网交换机功耗可达100W（数据来源Synopsys）。


图1：CPO演进图  来源：Synopsys

     CPO通过在硅片间器件或多芯片模块上集成光引擎与交换机ASIC实现了超短的低损耗互连，大幅降低了功耗。CPO可将每比特能耗降低到3pJ以下，较插装模块低5倍。

     此外，CPO通过集成多个并行光学组件可实现更高的带宽密度，并通过更紧密的集成降低延迟。这些优势使其成为数据中心网络扩展的一种有吸引力的选择。

CPO技术的OIF标准

     为实现不同供应商CPO模块间的互操作性，需要制定标准。光互联网论坛（OIF）近期发布了涵盖3.2Tb/s CPO模块的实施协议。

     如图2所示，OIF标准定义了一个搭载8个400Gb/s光接口，支持FR4和DR4模式的CPO模块，可实现每毫米140Gb/s的高密度。主机接口为32条112Gb/s超短距离SerDes通道，向下兼容50Gb/s。


图2：光互连演进图  来源：ASE

OIF CPO标准的关键点包括：

- 高密度8x400Gb/s光接口
- FR4和DR4模式支持不同的光纤/信道配置
- 32条112Gb/s超短距离主机电接口
- 向后兼容56Gb/s主机接口
- 支持光学引擎和铜缆组装

     通过定义数据速率、覆盖范围、光纤模式和主机接口方面的互操作规范，OIF标准有助于多供应商CPO生态系统的发展，是推进CPO广泛采用的重要一步。

CPO技术的采用障碍

     尽管具有重大效益，CPO的推广面临诸多潜在障碍，如可靠性、集成复杂度、供应商锁定，以及插装产品的持续进步。

     关键问题之一是故障模式和更换。由于CPO模块集成了多个高速链路，任何故障都需要更换整个交换机主板，而不仅是换一个插装模块。高功率密度也带来热管理难题。

     供应商锁定也是一个问题。大型数据中心用户倾向开放的插装模块市场，如果CPO将其锁定指定交换机供应商可能会遇阻。CPO的开发与交换机ASIC路线图对齐也存在挑战。

     最后，插装产品成本和性能持续改进，行业可能会比预期延长插装产品的使用周期。但从长远来看，CPO在实现太比特速率方面似乎势在必行。

总结

     CPO在提升带宽密度、功耗效率和降低延迟等方面给下一代数据中心网络带来重大效益。OIF的CPO模块标准有助形成互操作生态。但在集成、供应商锁定、可靠性和插装产品更新等方面仍面临采用挑战。如果能够克服这些困难，CPO可能会成为1.6Tb/s及以上速率的数据通信应用中的颠覆性光技术。业界对CPO的热情和标准进展都是积极的象征。

（来源：逍遥科技）