大家好，我是小枣君。
今天这篇文章，我们来聊一个最近非常火的光通信概念 ——LPO。
近年来，光通信产业的发展势头很猛。
在 5G、宽带中国、东数西算等国家战略的持续刺激下，国内光通信技术取得了巨大突破，光基础设施也有了质的飞跃。
特别是今年，AIGC 大模型爆火，智算和超算崛起，更是带动了光通信的新一波发展热潮。骨干网 400G 即将全面落地，数据中心 800G 和 1.6T 也跃跃欲试。
█ 光通信演进的挑战
其实，光通信的技术迭代，并不是简单的数字翻倍。
进入 400G 阶段后，我们要解决的问题，不仅仅是速率的提升，更包括高速率所带来的功耗和成本问题。
速率提升就像汽车运货。当运载的货物越来越重，就需要升级发动机。而发动力的排量越大，油耗就越大，发动机价格和油费也会越多。
我们就以光模块为例。
作为光网络的关键器件，也是用得最多的器件，光模块一直以来都是行业关注的焦点。它的功耗和价格，和用户采购意愿息息相关。
早在 2007 年的时候，一个万兆（10Gbps）的光模块，功率才 1W 左右。
随着 40G、100G、400G、800G 的迭代，光模块的功耗一路飙升，直逼 30W。
要知道，一个交换机可不止一个光模块。满载的话，往往就有几十个光模块（假如有 48 个，就是 48×30=1440W）。
一般来说，光模块的功耗大约占整机功耗的 40% 以上。这就意味着，整机的功耗极大可能会超过 3000W。
光通信设备的能耗激增，也给整个数据中心的能耗及成本带来了巨大的压力，极不利于通信网络的双碳目标。
为了解决光通信速率攀升带来的能耗问题，行业进行了大量的技术探索。
去年很火的 CPO，就是解决方案之一。
CPO 我之前专门进行过介绍（链接：到底什么是 NPO / CPO？），这里就不再详细讲了。
今年，在 CPO 之外，行业又提出了一个新方案，这就是 ——LPO。
█ 什么是 LPO
LPO，英文全称叫 Linear-drive Pluggable Optics，即线性驱动可插拔光模块。
从名字可以看出，它是一种光模块封装技术。
所谓“可插拔（Pluggable）”，我们平时看到的光模块，都是可插拔的。
如下图所示，交换机上有光模块的端口，把对应的光模块插进去，就能插光纤了。如果坏了，也可以换。
LPO 强调“可插拔”，是为了和 CPO 方案相区分。CPO 方案里，光模块是不可以插拔的。光模块（光引擎）被移动到了距离交换芯片更近的位置，直接“绑”在一起了。
那么，LPO 和传统光模块的关键区别，就在于线性驱动（Linear-drive）了。
所谓“线性驱动”，是指 LPO 采用了线性直驱技术，光模块中取消了 DSP（数字信号处理）/CDR（时钟数据恢复）芯片。
问题来了 —— 什么是线性直驱呢？DSP 发挥什么作用？为什么可以被取消？取消之后，会带来什么影响？
这里，我们还是先从光模块的基本架构开始讲起。
在之前介绍相干光技术（链接）的时候，小枣君提到过，光模块传输，就是电信号变成光信号，光信号又变成电信号的过程。
在发送端，信号经过数模转换（DAC），从数字信号变成模拟信号。在接收端，模拟信号经过模数转换（ADC），又变成数字信号。
一顿操作下来，得到的数字信号就有点乱，有点失真。这时候，需要 DSP，对数字信号进行“修复”。
DSP 就是一个跑算法的芯片。它拥有数字时钟恢复功能、色散补偿功能（去除噪声、非线性干扰等因素影响），可以对抗和补偿失真，降低失真对系统误码率的影响。
（注意：DSP 这个东西，也不是所有的传统光模块都有。但是，在高速光模块中，对信号要求高，所以基本需要 DSP。）
除了 DSP 之外，光模块中主要的电芯片还包括激光驱动器（LDD）、跨阻放大器（TIA）、限幅放大器（LA）、时钟数据恢复芯片（CDR，Clock and Data Recovery）等。
CDR 也是用于数据还原。它从接收到的信号中提取出数据序列，并且恢复出与数据序列相对应的时钟时序信号，从而还原接收到的具体信息。
DSP 的功能很强大。但是，它的功耗和成本也很高。
例如，在 400G 光模块中，用到的 7nm DSP，功耗约为 4W，占到了整个模块功耗的 50% 左右。
从成本的角度来看，400G 光模块中，DSP 的 BOM（Bill of Materials，物料清单）成本约占 20-40%。
LPO 方案，就是把光模块中的 DSP / CDR 芯片干掉，将相关功能集成到设备侧的交换芯片中。
光模块中，只留下具有高线性度的 Driver（驱动芯片）和 TIA（Trans-Impedance Amplifier，跨阻放大器），并分别集成 CTLE（Continuous Time Linear Equalization，连续时间线性均衡）和 EQ（Equalization，均衡）功能，用于对高速信号进行一定程度的补偿。
如下图所示：
█ LPO 的优点
LPO 的优点，归纳来说，就是：低功耗、低成本、低延时、易维护。
低功耗
没有了 DSP，功耗肯定是下降了。
根据 Macom 的数据，具有 DSP 功能的 800G 多模光模块的功耗可超过 13W，而利用 MACOM PURE DRIVE 技术的 800G 多模光模块功耗低于 4W。
低成本
这个也不用说了。前面提到 DSP 的 BOM 成本约占 20-40%，这个就没有了。
Driver 和 TIA 集成了 EQ，成本略有增加，但整体还是下降的。
有业界机构分析：800G 光模块中，BOM 成本约为 600~700 美金，DSP 芯片的成本约为 50~70 美金。Driver 和 TIA 里集成了 EQ 功能，成本会增加 3~5 美金。算下来，系统总成本可以下降大约 8%，大约 50~60 美金。
值得一提的是，DSP 也是博通、Inphi 等少数厂商所掌握的技术。取消了 DSP，从某种程度上来说，也减少了对少数厂商的依赖。
低时延
没有了 DSP，减少了一个处理过程，数据的传输时延也随之下降。
这个优点，对于 AI 计算和超级计算场景尤为重要。
易维护
这是相对 CPO 方案来说的。
CPO 方案中，如果系统中任何一个器件坏了，就要下电，把整个板子换掉，维护起来很不方便。
LPO 的封装没有显著改变，支持热插拔，简化了光纤布线和设备维护，使用上更加方便。
█ LPO 的当前挑战
通信距离短
去掉 DSP，当然还是有代价的。TIA 和 Driver 芯片并不能完全替代 DSP，所以，会导致系统的误码率提升。误码率高了，传输距离自然就短了。
行业普遍认为，LPO 只适用于特定的短距离应用场景。例如，数据中心机柜内服务器到交换机的连接，以及数据中心机柜间的连接等。
发展初级的 LPO，连接距离从几米到几十米。未来，可能会拓展到 500 米以内。
标准化刚起步
目前，LPO 的标准化还处于早期阶段，在互联互通上可能会存在一些挑战。
对于企业来说，如果采用 LPO，那么，需要具备一定的技术能力，能够制定技术规格和方案，能够探索设备和模块的边界条件，能够进行大量的集成、互联互通测试。
换言之，LPO 目前更适合较为封闭和供应商单一的系统。如果采用多供应商，自己又没有实力驾驭，那么，可能存在“问题较难界定，相互扯皮”的问题，还不如使用传统 DSP 方案。
此外，也有专家指出，LPO 给系统侧的电通道设计带来了一定挑战。目前 SerDes 主流规格是 112G，很快将升级到 224G。专家们认为，LPO 没办法跟上 224G SerDes 的要求。
█ LPO 的产业化进展
LPO 方案其实之前就有企业提出过，但是因为技术限制，没有做出什么成果。
今年的 OFC 大会上，LPO 再次被提出，很快成为行业关注的焦点。
AWS、Meta、微软、谷歌等国际市场主要客户，都对 LPO 表示了兴趣。众多光通信巨头，也纷纷投入资源进行研发。
目前，中际旭创、新易盛、剑桥科技等公司，均推出了 800G LPO 解决方案。近期，应该已有企业实现了小规模出货。
LPO 方案的关键，还是在于芯片。高线性度 TIA&Driver 的主要供应商，有 Macom、Semtech、美信等。
根据预测，2024 年，LPO 将实现规模商业化。行业里比较乐观的机构认为，未来 LPO 能占据一半的市场份额。保守一些的机构则认为，CPO / LPO 的份额将在 2026 年达到 30% 左右。。
█ 结语
好啦，以上就是关于 LPO 的介绍。
LPO 的逻辑本质，就是平衡和取舍。它基于特定的应用场景（短距离），舍弃了 DSP / CDR，牺牲了一点性能（误码率），但是，换来了更低的功耗、成本和时延。
它和 CPO 各有所长，虽然诞生的时间比 CPO 更晚，但落地的速度，会比 CPO 更快。
按目前的趋势，LPO 将是 800G 时代最具潜力的技术路线。
随着 AIGC 浪潮的发展，数据中心光网络将加速向 800G 演进。LPO 的黄金时代，即将到来。
—— The End ——
参考文献：
1、《硅光在新一代 PON、800G 互联和相干下沉应用及产业化》，潘栋；
2、《AI 时代的光通信机遇和挑战》，李俊杰；
3、《LPO vs CPO 谁将主宰未来数据中心光互联》，薛振峰；
4、《800G 光模块，AI 算力底座》，兴业证券；
5、《AI 算力时代，光模块新技术演进路径》，长城证券；
6、《LPO 技术是 800G 时代最具潜力路线 有望在 2024 年底迎来量产》，国盛证券；
7、《揭秘智算中心网络建设新利器：LPO 技术的出现》，锐捷网络；
8、《线性驱动光模块专家交流会纪要》。
本文来自微信公众号：鲜枣课堂 （ID：xzclasscom），作者：小枣君
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