112G LPO光模块应用白皮书

1112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008[编号ODCC-2023-03008]112GLPO光模块应用白皮书开放数据中心委员会2023-09发布 1112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008版权声明ODCC（开放数据中心委员会）发布的各项成果，受《著作权法》保护，编制单位共同享有著作权。转载、摘编或利用其它方式使用ODCC成果中的文字或者观点的，应注明来源：“开放数据中心委员会ODCC”。对于未经著作权人书面同意而实施的剽窃、复制、修改、销售、改编、汇编和翻译出版等侵权行为，ODCC及有关单位将追究其法律责任，感谢各单位的配合与支持。 2112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008编写组项目经理：张少辉腾讯科技工作组长：王超阿里云计算有限公司贡献专家：杨光腾讯科技孙敏腾讯科技侯康华为曾嘉宏华为张桢新华三集团孙安兵锐捷网络高万超光迅科技股份有限公司张涛光迅科技股份有限公司 3112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008前言数据中心网络设备升级到112Gbps每通道，传统可插拔光模块扩展到16通道的OSFP-XD，光模块在整机功耗的占比越来越高，大大增加了云服务提供商的持续运营成本！针对此痛点，产业链提出了LPO、CPO、NPO、OBO等多种先进技术期望降低整机功耗。LPO已经经过实际验证，技术上具有可行性，和CPO/NPO/OBO最大的不同是保留了传统re-timer光模块的可插拔特性，且维护了产业链现有生态，通过去除oDSP实现低功耗、低册亨吧、低时延的特性，成为国内外头部科技公司的重点关注对象。ODCC网络工作组2022年发布《112G高速互连白皮书》。为物理层电链接提供了有力规范支撑。112G线性互联2.0聚焦目前热门的LPO（Linear-drivePluggableOptics）进行研究，期望为目前LPO应用所面临的各种挑战进行技术拆解和解决，和行业一起推动LPO的商业部署。 4112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008目录版权声明...........................................................1编写组.............................................................2前言.............................................................3一、背景介绍......................................................6二、112GLPO线性直驱可插拔模块技术................................7（一）LPO技术介绍.............................................7（二）LPO技术收益.............................................8（三）LPO接口类型............................................10（四）LPO设计................................................10三、112GLPO技术挑战.............................................15（一）LPO接口标准挑战........................................15（二）112GLPO商用落地挑战...................................17四、卷积调优可行性分析...........................................19（一）理想信道................................................19（二）信道补偿计算原理........................................20（三）信道补偿计算验证........................................22（四）总结....................................................26五、LPO光模块特性分析............................................26（一）LPO具有线性特性........................................26（二）LPO可以通过卷积进行单次性能调优........................28六、网络设备端口SI特性分析......................................30（一）端口SI设计挑战.........................................30 5112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008（二）端口SI链路具有差异性...................................32（三）端口差异性影响LPO应用..................................33（四）端口SI差异性优化方案...................................34（五）端口SI设计建议.........................................36七、利用卷积实现LPO系统在线调优.................................37（一）端口SI设计挑战.........................................38（二）LPO在线调优方案........................................39（三）收益说明................................................43八、LPO在线调优的关键技术........................................43（一）设备PHY芯片均衡技术....................................44（二）LPO模块的线性调校技术..................................44（三）带外通信机制/设备间协商机制.............................44 6112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008112GLPO应用白皮书一、背景介绍随着云服务的普及，以及AI人工智能、ML机器学习和HPC高性能计算的大规模部署，推动云服务提供商不断进行网络带宽的升级，SERDES速率升级到112Gbps每通道，传统可插拔光模块的带宽更是达到1.6Tbps。近期生成式AI的火爆也推动大型科技企业加速大规模训练、推理网络基础设施部署，高速光模块迎来高速增长期。图1光模块、交换机速率演进数据中心网络设备升级到112Gbps每通道，传统可插拔光模块扩展到16通道的OSFP-XD，光模块在整机功耗的占比越来越高，大大增加了云服务提供商的持续运营成本！针对此痛点，产业链提出了LPO、CPO、NPO、OBO等多种先进技术期望降低整机功耗。LPO已经经过实际验证，技术上具有可行性，和CPO/NPO/OBO最大的不同是保留了传统re-timer光模块的可插拔特性，且维护了产业链现有生态，通过去除oDSP实现低功耗、低册亨吧、低时延的特性，成为 7112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008国内外头部科技公司的重点关注对象。本文将围绕LPO商用提出相应的解决方案，期望为LPO商用落地提供强有力的支撑。二、112GLPO线性直驱可插拔模块技术线性直驱可插拔光模块（Liner-drivepluggableOpcics，LPO）通过去除oDSP实现功耗、成本、时延三重收益，同时保留了可传统光模块可插拔的特性和产业链，技术上具有一定的可实现性，应用前景也非常可观。（一）LPO技术介绍目前业界主流的PAM4高速光模块基本都是采用传统的re-timer方案，在模块内部实现电信号再生、利用oDSP实现数字信号补偿技术如色散补偿技术、非线性补偿技术、去除噪声技术等，这种设计可以获取更好的系统性能，获取更低电误码率，为网络信号的传输提供了强大的支撑。传统的re-timer方案虽然具有近乎完美的性能优势，但是随着端口带宽的不断升级，传统re-timer方案成本越来越高、功耗越来越高，为了应对这些挑战，业界提出了LPO线性直驱可插拔光模块技术。该在2023OFC大会上大放异彩，受到行业尤其是国内外头部科技企业的重点关注。LPO模块的设计框图如下，和传统的re-timer模块方案对比，主要是：1）去除CDR/oDSP等re-timer组件；2）使用性能更优、SI补偿能力更强的的DRV/TIA电芯片；3）将部分补偿功能集成到 8112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008网络设备ASIC芯片；4）原来由oDSP实现的信号再生、数字信号补偿功能，变成通过网络设备ASIC芯片、DRV和TIA进行分段补偿。图2LPO应用框图综上所述，LPO线性直驱可插拔光模块通过去除传统的re-timer芯片如CDR、oDSP，实现低延迟、低成本和低功耗的特性。LPO的低延迟特性非常在ML机器学习和HPC高性能计算这些对传输时延比较敏感的网络。（二）LPO技术收益如上文所述，LPO通过去除re-timer芯片实现低成本、低功耗、低时延的特性，驱动终端用户的最大动力主要是低成本和低功耗两大特性，前者可以降低终端用户的物料采购成本，后者可以降低终端用户的持续运营成本。传统的re-timer方案可插拔光模块，如oDSP成本在单模模块占比大概在25%左右，在多模模块中成本占比会更高。目前北美已经商用部署800G光模块，800GoDSP芯片采购价格可能高达几十美 9112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008金。LPO方案通过去除oDSP，即使高性能的Driver和TIA相比传统的Driver和TIA成本有上涨，但是业界普遍预计也可以获取相当的成本收益。图3LPO成本收益随着交换芯片交换容量的提升，交换机的端口越来越多，传统re-timer方案应用场景密度大、功耗高，使得交换机散热设计挑战也越来越大。和传统re-timer方案相比，LPO的功耗优势不仅体现在个体功耗下降，也体现在网络设备整体功耗下降，数据中心规模越大，收益越明显。图4LPO功耗收益 10112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008（三）LPO接口类型LPO作为一种热点技术，对模块本体的封装没有要求，不管是QSFP，还是QSFP-DD，亦或是OSFP、OSFPXD等均可以实现LPO方案。软件接口协议亦遵循传统DSP可插拔光模块软件接口协议，保留最大的继承性和兼容性，降低模块侧和应用侧设备重复开发成本。表1接口行业标准规范参考表TypeMechanicalLowSpeed&GeneralElectricalManagementInterfaceModuleConnectorCage(SinglePort)Cage(GangedPort)QSFP112QSFP112MSASpecificationCMIS4.0QSFP-DD112QSFP-DDMSASpecificationCMIS4.0OSFP112OSFPMSASpecificationCMIS4.0SFP112SFP-DDMSASpecificationCMIS4.0SFP-DD112SFP-DDMSASpecificationCMIS4.0DSFP/NGSFP112TBDCMIS4.0（四）LP