数据中心正在蓬勃发展，速度和效率已成为其发展的核心要素。在此背景下，光互连技术的竞争进入白热化阶段。激光锁相振荡器(LPO)和相干锁相振荡器(CPO)已成为该领域的领先技术。本文将详细分析这两种技术的不同特性、优势和挑战，以帮助您更好地了解它们在数据中心光互连中的关键作用。
CPO 和 LPO 的崛起
传统 10Gb 光模块的功耗约为 1W(铜缆模块约为 2W)。然而，随着400G和800G光模块的推出，功耗迅速飙升至30W。更糟糕的是，当光模块数量达到数十个时(例如48个模块，总功耗可能高达48 × 30 = 1440W)，其功耗往往占整机总功耗的40%甚至更高。光通信设备能耗的激增给数据中心带来了巨大的压力，尤其是在能源成本方面。这已成为一个不容忽视的问题。因此，如何有效降低功耗、节约能源已成为业界亟待解决的问题。
正因如此，CPO和LPO解决方案应运而生，并迅速成为光模块行业的两大热门话题。如今，众多厂商都在加速相关技术的研发和布局，希望引领这场技术革命。
什么是CPO?
共封装光器件 (CPO) 是一种尖端技术，它将光学器件和开关芯片结合在一起。它摒弃了传统的插拔式光模块，使光引擎和开关芯片更紧密地集成在一起。这反过来又提高了它们之间的电信号传输速度，从而提升了整体性能。与传统光模块相比，CPO 解决方案体积更小、能效更高，因此是理想之选。
CPO技术发展
CPO技术的发展可分为两个阶段：
第一阶段：近封装光器件(NPO)技术
在CPO技术完全成熟之前，NPO技术是一个更为便捷的过渡方案。它在相对较短的时间内即可实现低成本和低功耗，尤其适用于系统的初始开发和部署。
第二阶段：CPO技术
这是最新的硅光子交换技术，旨在最大限度地降低网络成本和功耗。在CPO方案中，光引擎和交换芯片紧密封装在同一模块中，从而提高了系统的整体性能和能效。
在实际应用中，光引擎主要负责交换网络中的光电转换。最常见的形式是可插拔模块，但随着技术的不断发展，新的产品形式也在不断涌现。CPO形式将交换芯片和光引擎集成在单个插槽中，而NPO则将它们分别放置在同一系统板上。虽然两者都采用了光电模块，但由于封装位置和电缆距离的不同，它们的功耗和效率性能有所差异。
CPO 的优势
想象一下，在高科技电信基础设施中，空间优化和能源效率是应对流量和速度激增的关键。通过结合 CPO 技术，我们不仅可以实现更快、更可靠的通信，还能为网络技术的智能化和节能化发展创造空间。以下是 CPO 的主要优势：
提升信号完整性
CPO 通过缩短电信号的传输距离来提升信号完整性，这意味着您无需进行过多的信号补偿。这项进步不仅增强了 PCB 设计的灵活性，还优化了整体性能，从而带来更大的设计自由度和更高的效率。
紧凑设计，高集成度
CPO 技术将光子元件和电子元件集成在同一封装中，与传统的将光模块和电子芯片分别封装的方法相比，显著缩小了系统尺寸。这种紧凑性在高密度集成电路中尤为重要，因为每一寸空间都至关重要。
降低延迟
CPO 通过使用 CMOS 工艺集成电子和光学元件，能够显著降低功耗并提高传统 LPO 技术的效率。由于光模块和电子芯片封装在同一框架内，信号传输路径显著缩短，与分体封装方式相比，延迟显著降低。
根据 LightCounting 2022 年 12 月的报告，高性能计算 (HPC) 对网络速率的需求已是现有速率的 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%，有效解决高速高密度互连传输问题。同时，国内厂商也在积极研发 CPO 技术，以推动其持续发展和成熟。
什么是LPO?
LPO(线性驱动可插拔光模块)是指在光纤模块中采用直接驱动线性技术的解决方案。与传统的光模块设计不同，LPO省去了常见的传统组件，例如DSP(数字信号处理器)和CDR(时钟数据恢复器)，从而有效降低了系统功耗和延迟。这种设计的优点在于其节能高效且性能优异，但也存在一些不足。例如，它的纠错能力并非最佳，而且传输距离也比不上其他系统。因此，LPO技术更适合短距离通信，例如数据中心内部。当您需要极高的传输速度，但对错误率要求不高时，LPO尤其适用。
传统的可插拔光模块通常依赖DSP芯片处理高速信号以确保低误码率(BER)，但这同时也带来了更高的功耗。例如，对于一个400G光模块，一个7nm DSP的功耗约为4W，几乎占整个模块功耗的一半。相比之下，LPO通过省略这些额外的组件来降低功耗，但代价是传输距离和纠错能力有所下降。
线性驱动可插拔光模块 (LPO) 的优势
线性驱动可插拔光模块 (LPO) 在光互连领域具有诸多优势，使其成为提升数据中心连接性并满足现代网络需求的理想选择。以下是 LPO 技术的一些主要优势：
热插拔和简化维护
与 CPO 不同，LPO 保留了光组件的传统模块化设计，使其成为一种低干扰、易于维护的解决方案。如果 CPO 系统中的某个组件发生故障，通常需要拆卸整个交换机，这会带来维护上的难题。然而，LPO 支持热插拔，无需中断系统运行即可更方便地更换故障模块，从而最大限度地减少停机时间。
降低延迟
LPO 无需传统的数字信号处理器 (DSP)，因此无需复杂的信号降噪处理。这种设计显著降低了系统处理开销，从而有效降低了延迟。这对于需要极低延迟的应用场景尤为重要，例如高性能计算 (HPC) 中的 GPU 间通信。
降低成本
由于不依赖数字信号处理器 (DSP)，线性驱动可插拔光器件 (LPO) 可有效降低功耗和整体运营成本。DSP 技术目前由少数几家公司(例如博通和英菲)主导，因此成本高昂且资源有限。LPO 不依赖 DSP，有助于减少对这些稀缺资源的需求，从而为供应链多元化创造机会，并提升市场竞争力。
从上游芯片制造商到交换机供应商再到最终用户，各方对开发和应用 LPO 技术表现出浓厚的兴趣，这表明该技术的商业前景非常广阔。在 2023 年光纤通信展 (OFC 2023) 上，Macom 和博通等行业领先公司展示了其线性驱动解决方案，进一步凸显了该技术的发展趋势。与此同时，Arista推出的线性驱动解决方案得到了包括Innovium和NVIDIA在内的知名交换机厂商的认可，这反映了业界对LPO技术在尖端网络应用中巨大价值的共识。
CPO 与 LPO：哪种技术将主导数据中心光互连?
LPO 技术是一种战略选择，专为短距离应用等特定场景量身定制。虽然 LPO 摒弃了 DSP/CDR 等传统组件，这可能会导致误码率 (BER) 方面略有性能损失，但其在功耗、成本和延迟方面的优势却十分显著。与 CPO 不同，LPO 更注重特定应用的效率和成本降低，因此它既有独特的优势，也有独特的劣势。
尽管 LPO 技术出现的时间略晚于 CPO，但预计其市场普及速度将更快。下表列出了 CPO 和 LPO 之间的区别：
CPO的未来前景与挑战
CPO的未来市场前景广阔
CPO技术为提高光互连密度开辟了新的方向，预计将在100T以上的应用场景中实现商业化。据LightCounting预测，CPO的出货量将从800G和1.6T端口开始，预计将在2024年至2025年间实现商业化。到2026年至2027年，CPO在超大规模云服务提供商的短距离数据通信场景中的出货量预计将显著增长，市场需求也将大幅提升。CIR预测，到2027年，CPO市场总收入将达到54亿美元。
全球CPO端口数量预计将从2023年的5万个增长到2027年的450万个。预计到2027年，原棕榈油港口将占800克和1.6吨级货物出货量的近30%。根据Yole的一份报告，2022年原棕榈油市场收入约为3800万美元，预计到2033年将增长至26亿美元，复合年增长率(CAGR)为46%。
CPO面临的挑战
尽管CPO技术为先进光互连带来了新的希望，但在技术成熟度、市场接受度以及商业模式等方面仍面临挑战。要使CPO成为数据中心光互连领域的主流解决方案，必须有效解决这些问题。
技术路径与成熟度：相干锁相振荡器(CPO)技术仍处于早期发展阶段，其技术路径需要进一步完善。虽然CPO的未来前景光明，但尚未达到广泛应用的程度，仍需积累更多实际案例和经验。相比之下，传统的可插拔光模块仍然占据市场主导地位，CPO可能需要几年时间才能取代它们成为主流解决方案。
市场接受度：在3.2T光模块时代，CPO技术对外形尺寸的要求很高。然而，在当前的1.6T时代，可插拔光模块仍然是成熟的主流解决方案，其8x200G配置已经能够满足大多数行业的需求。目前对高速CPO解决方案的需求并不迫切，这可能会减缓CPO技术在市场上的快速推广。
商业模式挑战：CPO技术的应用需要大量的硅光子技术储备，这意味着其发展将高度依赖于相关技术的研发和生产能力。对特定厂商的依赖可能成为CPO技术广泛应用的主要障碍。首先，硅光子技术的储备和制造工艺的复杂性使得CPO的生产和研发集中在少数几家厂商手中。这种依赖可能导致市场出现技术垄断，进而影响不同厂商的竞争力和技术创新。此外，过度依赖单一厂商可能会限制技术发展，增加供应链的不确定性，并影响终端用户在选择CPO解决方案时的灵活性和自由度。
尽管CPO技术展现出巨大的潜力，但在技术成熟度、市场紧迫性和相关商业模式的建立等方面仍然面临挑战。
LPO发展前景与挑战
LPO产业发展：国内外并行发展
LPO技术作为一种新兴的光互连解决方案，预计将于2024年底实现量产。随着该技术的不断发展，全球主要厂商已陆续推出相关产品。Macom、Semtech和MaxLinear等领先厂商在技术研发方面取得了显著进展，博通也在积极推广其LPO解决方案。业内专家认为，随着北美云服务提供商对计算资源的需求不断增长，微软、Meta、AWS和谷歌等大型企业将逐步采用LPO解决方案，以提高数据传输效率并降低延迟。
LPO面临的挑战
尽管LPO在光互连领域展现出巨大的潜力，但其发展仍面临诸多挑战。解决这些问题对于LPO技术在市场上的竞争力至关重要。以下是LPO在发展过程中可能面临的一些关键挑战：
协作需求：LPO的部署需要LPO供应商和交换机制造商之间的密切合作。光模块制造商必须升级其技术，并确保上下游供应链之间的紧密协调，以推动整个行业的合作与创新。
传输距离短：LPO旨在消除DSP组件，这导致误码率(BER)较高，并限制了信号的传输距离。在长距离传输时，LPO的稳定性可能不如传统光模块。初期，LPO的连接距离在几米到几十米之间，未来传输距离可能会扩展到500米。为了解决这个问题，优化传输距离并加强系统的纠错机制至关重要。
标准化尚处于早期阶段：LPO的标准化进程仍处于早期阶段，该技术的互操作性可能会遇到一些困难。目前，LPO更适用于单一供应商的封闭系统。如果采用多厂商方案，而内部集成能力不足，则可能导致系统不兼容和职责划分问题。在这种情况下，传统的基于DSP的解决方案可能仍然更具优势。
电通道设计的局限性：LPO对系统侧的电通道设计提出了更高的要求。目前，SerDes主要采用112G规范，预计未来将升级到224G;然而，LPO技术可能无法满足即将到来的224G SerDes的传输需求，这可能会限制其在未来大规模数据传输应用中的性能。
总之，尽管LPO技术具有诸多潜力和优势，但仍需要更多的技术创新和产业合作来突破上述挑战，实现广泛应用。
结论
尽管线性驱动可插拔光模块 (LPO) 和共封装光模块 (CPO) 正在成为数据中心互连技术的未来发展趋势，但可插拔光模块仍然是业界的标准解决方案。随着数据中心对更高性能和更低延迟的需求不断增长，QSFPTEK 等厂商推出了 800G 可插拔以太网和 InfiniBand 模块。这些模块能够提供高达 800 Gbps 的数据速率，为高性能计算 (HPC) 应用提供关键的带宽支持。未来，随着技术的进一步发展和行业对新技术的采用，CPO 和 LPO 可能会逐步取代现有的可插拔光模块，尤其是在超大规模数据中心和高性能计算应用中。
资料来源：QSFPTEK
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