LPO vs CPO：谁是数据中心光互连的领跑者？

在不断扩大的数据中心领域，速度和效率至关重要，光互连的主导地位之争已经到了关键时刻。激光相控振荡器（LPO）和相干相控振荡器（CPO）这两项强大的技术已成为彻底改变数据中心光互连竞赛的主要竞争者。本文深入探讨了 LPO 和 CPO 的复杂性，探讨了它们的独特功能、优势和挑战。

CPO 和 LPO 的兴起

一个10Gb光模块的功耗只有1W左右。随着400G和800G光模块的升级，光模块的功耗飙升，逼到了30W。一个交换机可以有多个光模块。如果满载，往往有几十个光模块（如果有48个，则为48×30=1440W）。光模块的功耗约占整机功耗的40%以上。整机功耗可能超过3000W。光通信设备能耗的激增也给整个数据中心的能耗和成本带来了巨大的压力，降低能耗和成本迫在眉睫，因此出现了CPO/LPO解决方案。

CPO/LPO的出现迅速成为光模块行业的两大流行语，各大厂商纷纷加快布局相应方案。

什么是 CPO？

CPO（Co-Packaged Optics）即共包装光学技术，是一种新兴的数据中心光互连解决方案。它的核心思想是将光学组件（如激光器、调制器等）与电子芯片（如交换芯片）紧密集成在一起。这种集成方式可以显著减少光信号在电子和光学部件之间传输的距离，从而降低延迟和功耗，提高数据传输速率。

在传统的数据中心网络中，光模块通常是作为独立的组件插入到交换机的端口中。而在CPO技术中，光学组件被直接封装在交换机芯片旁边，这样可以减少光信号转换为电信号的次数，因为在芯片内部的传输主要是电信号。这种方式不仅提高了传输效率，还有助于缩小设备体积，使得数据中心的布局更加紧凑。

CPO技术的另一个优势是它能够支持更高的带宽。随着数据中心对于速度和带宽需求的不断增长，CPO提供了一种有效的途径来满足这些需求，尤其是在处理大量数据和高性能计算任务时。

CPO技术开发

具体而言，可持续技术路线可以在开关硅光子学技术的两个开发阶段实施：

第 1 阶段：近封装光学（NPO）技术。该技术可在共封装光学器件（CPO）生态系统准备就绪之前的最短时间内提供低成本、低功耗的优势。

第 2 阶段：CPO 技术。这是开关硅光子学技术的最终形式，可以最大限度地降低网络成本和功耗。

光引擎执行开关网络的光/电转换功能。它最常见的是可插拔形式。随着技术的发展，新的产品形态应运而生。CPO形式将开关芯片和光引擎组装在一个插槽中，实现了芯片和模块的共同封装。NPO形式将光学引擎和开关芯片解耦，并将它们组装在同一块系统板上。光电模块虽然以两种形式存在，但它封装在不同的位置，相应的布线距离不同，功耗也不同。

CPO/NPO公司

CPO的优势

设想在最先进的电信基础设施中的场景，其中空间优化和电源效率对于支持不断增长的数据流量和速度至关重要。CPO 的集成使系统能够通过更快、更可靠的通信提供卓越的性能，同时也为在不断发展的网络技术环境中实现精简、节能的设计铺平了道路。以下是 CPO 的优势。

增强的信号完整性： 通过大幅缩短车载电信号的传输距离，CPO 显著减少了对信号补偿的需求。这一进步促进了更通用的 PCB 设计，从而实现了更大的设计自由度和更高的性能。
设计紧凑，集成度高： 与传统的光模块和电子芯片单独封装相比，CPO将光子和电子元件集成在同一封装框架中的方法可以减小尺寸。这种紧凑性特别有利于高密度集成电路中的应用，因为在这些应用中，空间非常宝贵。
减少延迟： 利用CMOS工艺集成电气和光学器件可降低功耗，从而比传统的LPO技术有所改进。由于光模块和电子芯片都封装在单个封装中，因此缩短了信号传输路径，与单独的封装方法相比，可以显著降低延迟。

LightCounting在其2022年12月的报告中表示，AI对网络速率的需求是当前速率的10倍以上，在此背景下，CPO有望将现有可插拔光模块架构的功耗降低50%，这将有效解决高速、高密度互联传输难的问题。国内厂商也在进一步开发CPO技术。

什么是 LPO？

LPO，即线性驱动可插拔光学技术，是一种用于数据中心光互连的技术。它采用线性驱动架构，通过简化传统光模块中的组件，如去除数字信号处理器（DSP）和时钟数据恢复（CDR）芯片，从而减少了功耗和系统内的延迟。

在LPO的设计中，光模块直接驱动光纤，无需复杂的电子转换过程。这种直接驱动的方法不仅提高了传输效率，还降低了成本。由于减少了组件数量，LPO光模块通常比传统的DSP基础解决方案更轻便、更经济。

LPO技术的一个关键优势是它能够在不牺牲性能的情况下显著降低模块的功耗。这对于运行大量光模块的数据中心来说是一个重要的特点，因为它可以减少冷却成本并提高能源效率。此外，LPO技术还能够减少数据传输过程中的延迟，这对于需要快速数据处理的应用场景，如人工智能（AI）和机器学习（ML）的模型训练和推理，是非常关键的。

传统的可插拔光模块：DSP芯片处理高速信号，实现低误码率，但功耗大。以400G光模块为例，7nm DSP的功耗约为4W，占整个模组功耗的50%。

LPO技术

LPO的优势

线性驱动可插拔光学器件（LPO）在光互连领域具有多项优势。这些优势使 LPO 成为增强数据中心连接和满足现代网络环境日益增长的需求的有前途的解决方案。以下是 LPO 的一些主要优势：

热插拔，易于维护： 与 CPO 不同，LPO 保留了光学元件的传统模块化外形尺寸，使其成为侵入性较小的解决方案。如果 CPO 系统中的设备发生故障，通常需要拆卸整个交换机，这可能不便于维护。相比之下，LPO的设计支持热插拔，从而简化了更换过程并减少了用户的停机时间。
减少延迟： LPO 技术摒弃了数字信号处理器（DSP）的使用，从而消除了信号恢复的需要。这种处理开销的减少显著降低了系统延迟，使 LPO 非常适合时序至关重要的应用，例如高性能计算中心（HPC）中的 GPU 间通信。
降低成本： 没有DSP不仅降低了功耗，还降低了运营成本。DSP 技术是 Broadcom 和 Inphi 等少数制造商所拥有的利基专业知识。通过不依赖DSP，LPO在一定程度上也减少了对这些有限来源的依赖，有可能使供应链多样化并增强市场竞争力。

从上游芯片制造商到交换机供应商，再到最终用户，各行各业的利益相关者都非常重视LPO（线性驱动可插拔光学器件）技术的开发和应用，这表明商业部署前景广阔。在 OFC 2023 上，Macom 和 Broadcom 等领先公司展示了他们的线性驱动解决方案，标志着强劲的行业趋势。值得一提的是，Arista 的特色线性解决方案获得了包括 Innovium 和 NVIDIA 在内的知名交换机制造商的认可，这反映了人们对该技术在尖端网络场景中的价值主张的日益共识。

CPO 与 LPO：哪个将主导数据中心光互连？

LPO 代表了一种战略权衡，针对特定用例（如短距离应用）量身定制。通过放弃 DSP/CDR 等组件，在误码率方面可能会有边际性能权衡。然而，它通过降低功耗、成本和延迟提供了实质性的好处。这种方法将 LPO 与 CPO 区分开来，具有明显的优点和缺点。尽管与 CPO 相比，LPO 的出现时间较晚，但预计 LPO 的采用速度会更快。CPO 和 LPO 之间的差异如下表所示。

CPO/LPO形态差异

	可插拔模块	LPO公司	首席产品官
功耗	高	相当低	低
成本	高	相当低	低
延迟	相当高	相当低	低
产品成熟度	高	相当低	相当低
可维护性	好	好	穷
链路性能	好	平均	好
互联生态	好	穷	穷

CPO/LPO的未来发展前景与挑战

CPO的发展前景与挑战

CPO未来市场空间广阔

CPO为提高光互连密度提供了方向，并有望逐步商业化用于100T+应用。LightCounting表示，预计CPO的出货量将从800G和1.6T端口开始，并可能在2024年至2025年之间投入商业使用，从2026年到2027年将发生重大的批量扩展，主要是在超大规模云服务提供商的短距离数据通信场景中。CIR 预计，到 2027 年，共封装光学器件的市场收入将达到 54 亿美元。

CPO市场预测

预计到2027年，CPO港口的全球销量将从2023年的5万辆增长到450万辆。预计到2027年，CPO港口将占800G和1.6T类别总出货量的近30%。根据 Yole 的一份报告，CPO 市场在 2022 年的收入约为 3800 万美元，预计到 2033 年将达到 26 亿美元。2022 年至 2033 年期间的复合年增长率（CAGR）估计为 46%。

CPO 面临的挑战

虽然 CPO 有望实现先进的光互连，但它面临着与技术成熟度、采用紧迫性和商业模式考虑相关的挑战。应对这些挑战对于CPO将自己确立为数据中心光互连领域可行且广泛采用的解决方案至关重要。

技术路径和成熟度： 相干相控振荡器（CPO）技术仍处于早期发展阶段，技术路径需要进一步成熟。虽然 CPO 显示出前景，但它尚未达到迫切需求或广泛采用的阶段。传统的可插拔解决方案继续主导市场，CPO 成为主流选择需要时间。
采用的紧迫性： 在3.2T光模块时代，对CPO外形尺寸的需求相对较高。然而，在当前1.6T时代，可插拔光模块已经提供了成熟的主流解决方案，配置为8*200G，有效满足了行业需求。缺乏对更高速 CPO 解决方案的紧迫性可能会减缓其采用速度。
商业模式挑战： 实施CPO技术需要大量的硅光子学技术储备。CPO制造工艺的紧密集成使其很可能由开关芯片制造商主导。然而，这种对特定制造商的依赖可能会影响 CPO 技术的进步和广泛应用。克服这些商业模式挑战对于CPO成功融入市场至关重要。

LPO的发展前景与挑战

LPO行业进展：国内与国际并行

LPO作为一项新兴技术，预计将于2024年底实现量产。各大厂商已经公布了相关产品，Macom、Semtech、MaxLinear等主要供应商率先推出，博通推进各自产品的研发。专家认为，北美云服务提供商正在积极增加计算资源，未来，Microsoft、Meta、AWS、谷歌等公司可能会逐步采用LPO解决方案。

LPO面临的挑战

随着激光相控振荡器（LPO）的不断发展，LPO也面临着以下挑战。通过克服这些障碍，LPO可以释放其全部潜力，并将自己确立为市场上可行且具有竞争力的解决方案。

协作要求： 激光相锁振荡器（LPO）解决方案的实施需要 LPO 供应商和开关制造商之间的密切协调。这就对光模块制造商提出了更高的要求，以促进上游和下游的全行业合作。
传输距离短： LPO 面临的一个挑战是去除数字信号处理（DSP）组件。这种消除会导致系统内的误码率增加，从而缩短传输距离。为了克服这一局限性，必须努力解决范围有限的问题，并优化系统的纠错机制。
早期阶段的标准化： LPO的标准化仍处于早期阶段。互操作性可能存在挑战。公司需要具备技术专长来定义技术规范和解决方案，探索设备和模块之间的界限，并进行广泛的集成和互操作性测试。换言之，LPO目前适合单一供应商的更封闭的系统。如果选择多供应商方法而没有强大的内部能力，则在定义问题和指责方面可能存在问题，在这种情况下，传统的基于DSP的解决方案可能更可取。
电气通道设计的局限性： 专家指出，LPO对系统侧的电气通道设计提出了一定的挑战。SerDes目前的主流规格是112G，预计很快会升级到224G。据信，LPO无法满足即将到来的224G SerDes的要求。

总结

虽然大型并行光学器件（LPO）和共封装光学器件（CPO）正在成为数据中心互连的未来趋势，但可插拔光模块仍然是当前标准。为了满足 AI 计算能力日益增长的需求，ADOP提供 800G 可插拔以太网和 InfiniBand 模块。这些模块可以支持高达每秒 800 Gb 的数据传输速率，这一带宽容量对于基于 AI 的应用程序的性能至关重要。下表是产品列表。

类别	型	产品描述
800G NDR InfiniBand 模块	OSFP-SR8-800G	NVIDIA InfiniBand MMA4Z00-NS 兼容 OSFP 800G SR8 PAM4 2 x SR4 850nm 50m DOM 双 MPO-12/APC NDR MMF 光收发模块，翅片顶部
	OSFP-DR8-800G型	NVIDIA InfiniBand MMS4X00-NM 兼容 OSFP 800G DR8 PAM4 2 x DR4 1310nm 500m DOM 双 MPO-12/APC NDR SMF 光收发模块，翅片顶部
	OSFP-2FR4-800G	NVIDIA InfiniBand MMS4X50-NM 兼容 OSFP 800G 2FR4 PAM4 1310nm 2km DOM 双双工 LC/UPC NDR SMF 光收发模块，翅片顶部
800G 以太网模块	QDD-SR8-800G型	通用兼容QSFP-DD 800GBASE-SR8 PAM4 850nm 50m DOM MPO-16/APC MMF光收发模块
	QDD-DR8-800G	通用兼容QSFP-DD 800GBASE-DR8 PAM4 1310nm 500m DOM MPO-16/APC SMF光收发模块，支持2个400G-DR4和8个100G-DR
	QDD800-PLR8-B1型	通用兼容QSFP-DD 800GBASE-PLR8 PAM4 1310nm 10km DOM MPO-16/APC SMF光收发模块，支持2个400G-PLR4和8个100G-LR
	OSFP-2FR4-800G	通用兼容OSFP 800GBASE-2FR4 PAM4 1310nm 2km DOM双双工LC/UPC SMF光收发模块，翅片顶部
	OSFP-DR8-800G型	通用兼容OSFP 800GBASE-DR8 PAM4 1310nm 500m DOM双MPO-12/APC SMF光收发模块，翅片顶部，支持8 x 100G-DR
	OSFP800-2LR4-A2型	通用兼容OSFP 800GBASE-2LR4 PAM4 1310nm 10km DOM双双工LC/UPC SMF光收发模块，翅片顶部
	OSFP800-PLR8-B1型	通用兼容OSFP 800GBASE-PLR8 PAM4 1310nm 10km DOM MPO-16/APC SMF光收发模块，翅片顶部，支持2个400G-PLR4和8个100G-LR
	OSFP800-PLR8-B2型	通用兼容OSFP 800GBASE-PLR8 PAM4 1310nm 10km DOM双MPO-12/APC SMF光收发模块，翅片顶部，支持8 x 100G-LR
	OSFP-SR8-800G	通用兼容OSFP 800GBASE-SR8 PAM4 850nm 50m DOM双MPO-12/APC MMF光收发模块，翅片顶部