LPO到底是什么？ LPO与传统光模块的主要区别

近年来，光通信产业发展迅速。

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，光基础设施也实现了质的飞跃。

尤其是今年，AIGC大模型爆发，智能计算、超级计算的崛起带动了光通信新一波发展。骨干网400G即将全面落地，数据中心800G、1.6T也跃跃欲试。

OSPF 的演变（来源：Arista Network）

█光通信演进的挑战

事实上，光通信的技术迭代并不是简单的数字倍增。

进入400G阶段后，我们要解决的问题不仅仅是速率的提升，还有高速率带来的功耗和成本问题。

速度的增加就像卡车货运一样。当运载的货物变重时，就需要对发动机进行升级。发动机排量越大，油耗越大，发动机价格和燃油费用也就越高。

我们以光模块为例。

光模块作为光网络的关键部件和最常用的部件，一直是业界关注的焦点。其功耗和价格与用户的购买意愿密切相关。

光模块

早在2007年，10Gbps（10Gbps）光模块的功率只有1W左右。

随着40G、100G、400G、800G的迭代，光模块的功耗猛增，接近30W。

要知道，一台交换机可以有多个光模块。满载时，往往有几十个光模块（如果有48个，那就是48×30=1440W）。

一般来说，光模块的功耗占整机功耗的40%以上。这意味着整机功耗可能会超过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，这对于通信网络的双碳目标极为不利。

与2010年相比，光器件的能耗将增加26倍。

（图片来自思科）

为了解决光通信速率提升带来的能耗问题，业界进行了大量的技术探索。

去年非常流行的CPO就是解决方案之一。

之前我已经专门介绍过CPO（链接：NPO/CPO到底是什么？），这里不再赘述。

今年，除了CPO之外，业界还提出了一个新的计划，那就是——LPO。

█什么是LPO

LPO，英文全称是Linear-drive Pluggable Optics，即线性驱动可插拔光模块。

从名字就可以看出，它是一种光模块封装技术。

所谓“可插拔”，就是指我们平常看到的光模块都是可插拔的。

交换机上有端口用于光模块。将相应的光模块插入其中，即可插入光纤。如果坏了，可以更换。

LPO强调“可插拔”，以区别于CPO解决方案。 CPO方案中光模块不可插拔。光模块（光引擎）已移近交换芯片，直接“绑”在一起。

那么，LPO与传统光模块的主要区别在于线性驱动。

所谓“线性驱动”是指LPO采用线性直接驱动技术，DSP（数字信号处理）/CDR（时钟数据）在光模块恢复中取消）芯片。

那么问题来了——什么是线性直驱？ DSP扮演什么角色？为什么可以取消呢？取消后会有什么影响？

这里，我们先从光模块的基本架构开始。

之前介绍相干光技术（链路）时，肖早君提到光模块传输就是电信号变成光信号，光信号变成电信号的过程。

在发送端，信号经过数模转换（DAC），从数字信号变为模拟信号。在接收端，模拟信号经过模数转换（ADC）成为数字信号。

经过一番运算后，得到的数字信号有点杂乱、失真。这时就需要DSP来“修复”数字信号。

DSP是运行算法的芯片。具有数字时钟恢复功能和色散补偿功能（去除噪声、非线性干扰等因素的影响），可以对抗和补偿失真，减少失真对系统误码率的影响。

DSP 的各种补偿和估算

各DSP模块的功能

（注：并不是所有传统光模块都有DSP。但是高速光模块对信号要求很高，所以基本都需要DSP。）

光模块中的主要电气芯片除DSP外，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）恢复）等

CDR也用于数据恢复。它从接收到的信号中提取数据序列，并恢复出数据序列对应的时钟时序信号，从而恢复接收到的特定信息。

DSP的功能非常强大。但其功耗和成本也较高。

例如，在400G光模块中，所使用的7nm DSP的功耗约为4W，约占整个模块功耗的50%。

光模块功耗构成

从成本角度来看，DSP的BOM（物料清单）成本约占400G光模块的20-40%。

LPO解决方案是将光模块中的DSP/CDR芯片去掉，将相关功能集成到设备侧的交换芯片中。

光模块中，只有Driver（驱动芯片）和TIA（Trans-Impedance Amplifier）具有高线性度剩下的。 Amplifier），并分别集成了CTLE（Continuous Time Linear Equalization，连续时间线性均衡）和EQ（Equalization，均衡）功能，对高速信号进行一定程度的补偿。

如下图所示：

█LPO的优点

总结起来，LPO的优点是：低功耗、低成本、低延迟、易于维护。

低功耗

没有DSP，功耗肯定会下降。

根据Macom的数据，带有DSP功能的800G多模光模块的功耗可以超过13W，而采用MACOM PURE DRIVE技术的800G多模光模块的功耗则低于4W。

低成本

不言而喻。前面提到DSP的BOM成本约占20-40%，但现在情况已不再如此。

驱动器和TIA集成EQ，成本略有增加，但总体成本还是降低了。

行业组织分析，800G光模块的BOM成本约为600至700，DSP芯片的成本约为50至70。 EQ功能集成到Driver和TIA中，成本将增加3到5。经测算，系统总成本可降低约8%，约为50至60。

值得一提的是，DSP也是Broadcom、Inphi等少数厂商掌握的技术。 DSP的消除也在一定程度上减少了对少数厂商的依赖。

低延迟

没有DSP，减少了一次处理过程，也减少了数据传输延迟。

这一优势对于AI计算和超级计算场景尤为重要。

易于维护

这与CPO计划有关。

在CPO方案中，如果系统中任何一个部件出现故障，就必须关闭电源并更换整个板卡，这对于维护来说非常不方便。

LPO的封装没有明显变化，并且支持热插拔，简化了光纤布线和设备维护，使用更加方便。

█ LPO 当前面临的挑战

通讯距离短

当然，去掉DSP还是要付出代价的。 TIA和Driver芯片不能完全取代DSP，因此系统的误码率会增加。误码率越高，传输距离越短。

业界普遍认为LPO只适合特定的短距离应用场景。例如数据中心机柜内服务器与交换机之间的连接，以及数据中心机柜之间的连接。

开发连接距离从几米到几十米的初级LPO。未来可能会扩展到500米以内。

标准化才刚刚开始

目前，LPO的标准化仍处于早期阶段，互联互通方面可能存在一些挑战。对于企业来说，如果采用LPO，需要具备一定的技术能力，能够制定技术规范和方案，能够探索设备和模块的边界条件，能够进行大量的集成和互连测试。换句话说，LPO目前更适合更加封闭、单一供应商的系统。如果使用多个供应商，而自己又没有实力控制它们，那么可能会出现“问题难以界定、相互纠纷”的问题，所以最好还是使用传统的DSP解决方案。此外，有专家指出，LPO给系统侧的电通道设计带来了一定的挑战。目前主流的SerDes规格是112G，很快就会升级到224G。专家认为LPO无法满足224G SerDes的要求。

█LPO产业化进展

LPO解决方案其实之前就有企业提出过，但由于技术限制，没有取得成果。

在今年的OFC大会上，LPO再次被提出，并迅速成为业界关注的焦点。

AWS、Meta、微软、谷歌等国际市场主要客户均表示对LPO感兴趣。不少光通信巨头也投入资源进行研发。

目前，中际旭创、新亿盛、剑桥科技等公司均已推出800G LPO解决方案。近期，部分企业应该已经实行小规模出货。