CPO vs. NPO vs. XPO: Architektur, Stromversorgung, Kühlung und Wartungsfähigkeit in der KI-Datenzentrumsoptik

KI-Cluster zwingen dazu, die Switch-Bandbreite, die Anzahl der optischen Leitungen, die Frontpanel-Dichte und die Systemleistung gleichzeitig zu skalieren. Mit steigenden elektrischen Leitungsraten wird es immer schwieriger, die Verbindung zwischen einem Switch-ASIC und seinen optischen Schnittstellen zu entwerfen. Längere PCB-Kanäle führen zu mehr Verlusten und erfordern oft eine stärkere Entzerrung, Retiming oder digitale Signalverarbeitung.

CPO, NPO und XPO lösen dieses Problem durch drei verschiedene Platzierungsstrategien für die optische Engine:

• CPOverschiebt die optische Konvertierung in die Paketebene-Umgebung des Switch-ASIC.

• NPOPlatziert optische Engines in der Nähe des ASIC, behält sie aber auf der Host-Leiterplatte.

• XPObehält ein an der Vorderseite steckbares Modul bei, erhöht gleichzeitig die Dichte der elektrischen Leitungen und führt eine Flüssigkeitskühlung auf Modulebene ein.

Ihr gemeinsames Ziel ist es, die Einschränkungen zu verringern, die durch die elektrische Hochgeschwindigkeitsübertragung entstehen. Allerdings verteilt jede Architektur Strom, Wärme, Verpackungsrisiko, Glasfaserkonnektivität und Wartungsverantwortung unterschiedlich.

Was sind CPO, NPO und XPO?

CPO platziert optische Engines in der Umgebung auf Paketebene des Host-ASIC, NPO montiert sie auf der Systemplatine in der Nähe des ASIC und XPO behält ein steckbares Modul mit hoher Dichte auf der Vorderseite bei. Der Hauptkompromiss besteht zwischen elektrischer Reichweite, Gehäuseintegration, thermischem Design und Wartungsfreundlichkeit vor Ort.

DerOIF CEI-448G-Rahmendefiniert CPO als ein elektrisch-optisches Gerät, das auf dem Host-Paket montiert ist. Es definiert NPO als ein Gerät, das auf der Host-Leiterplatte neben dem Host-Silizium montiert wird, um Leiterplattenspuren und elektrische Signalanforderungen zu minimieren.

CPO vs. NPO vs. XPO Platzierung der optischen Engine

Beschreibungen wie „CPO im Mikrometermaßstab“, „NPO im Zentimetermaßstab“ und „Pluggables im Dezimetermaßstab“ können als konzeptionelle Illustrationen nützlich sein, sie stellen jedoch keine universellen Spezifikationsgrenzen dar. Der physische Abstand hängt vom Gehäuse-, Platinen-, Stecker- und Gehäusedesign ab.

Das gemeinsame Ziel: Den elektrischen Weg verkürzen

Bei einem herkömmlichen Switch befindet sich der ASIC auf der Systemplatine, während optische Transceiver an der Frontplatte installiert sind. Elektrische Hochgeschwindigkeitssignale müssen durch Gehäuseübergänge, PCB-Leiterbahnen, Durchkontaktierungen, Anschlüsse und die elektrische Modulschnittstelle geleitet werden, bevor eine optische Umwandlung erfolgt.

Bei höheren Datenraten wird die Verwaltung dieses Kanals schwieriger. Dielektrischer Verlust, Reflexionen, Übersprechen und Impedanzdiskontinuitäten verringern den Signalspielraum. Das System kann dies durch eine stärkere Sender- und Empfängerentzerrung, Taktwiederherstellung, Neutiming, Vorwärtsfehlerkorrektur oder einen neu getimten Modul-DSP kompensieren.

Durch die Annäherung der optischen Engine an den ASIC wird der elektrische Teil der Verbindung verkürzt. Dann kann ein größerer Teil der physischen Distanz optisch zurückgelegt werden, statt über Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen auf der Leiterplatte.

Drei Modelle zur Platzierung optischer Motoren

• CPO:Die optische Konvertierung erfolgt innerhalb der Baugruppe auf Paketebene.

• NPO:Die optische Umwandlung erfolgt auf der Host-Leiterplatte in der Nähe des Gehäuses.

• XPO:Die optische Umwandlung bleibt in einem austauschbaren Frontpanel-Modul.

Diese Platzierungsentscheidung beeinflusst den elektrischen Verlust, die Stromverteilung, die Kühlstruktur, die Faserführung, den Herstellungsprozess und die Reparaturstrategie des Systems.

Warum elektrische Reichweite bei Hochgeschwindigkeitsschaltern wichtig ist

Wie kürzere elektrische Wege den Signalaufbereitungsaufwand reduzieren

Die elektrische Verbindung zwischen einem ASIC und einer optischen Engine verbraucht einen Teil des Signalintegritäts-, Leistungs- und Wärmebudgets des Systems.

Mit steigender Spurzahl wird die PCB-Übertragung immer empfindlicher gegenüber:

• Spurlänge

• Paket-Escape-Routing

• Dielektrischer Verlust der Platine

• Vias und Steckerübergänge

• Übersprechen

• Rückflussverlust

• Ausgleichsfähigkeit

Ein längerer Kanal erfordert im Allgemeinen mehr Kompensation. Dieser Ausgleich verbraucht Strom und erzeugt Wärme, oft in Bereichen, in denen die Luftzirkulation und der Panel-Platz bereits begrenzt sind.

PCB-Kanalverlust, Ausgleich und Leistung

Ein herkömmliches optisches Modul kann einen DSP enthalten, der das elektrische Signal vor der optischen Übertragung wiederherstellt und neu synchronisiert. Dies schafft eine robuste Modulgrenze, erhöht aber auch die Leistung innerhalb des Transceivers.

Ein kürzerer elektrischer Pfad kann andere Schnittstellenanordnungen unterstützen:

• Lineare Optik, wobei mehr Signalkonditionierung im Host-ASIC verbleibt

• Halbzeitlich überarbeitete Optik, wobei nur ein Teil der Schnittstelle neu getimt wird

• Komplett überarbeitete Optik, wobei das Modul eine vollständige Retiming-Grenze bereitstellt

Das bevorzugte Design hängt von der SerDes-Fähigkeit des Hosts, dem Kanalverlust, den Interoperabilitätsanforderungen, der optischen Reichweite, den thermischen Grenzen und dem akzeptablen Implementierungsrisiko ab.

Die relevante technische Frage ist daher nicht nur, ob ein DSP vorhanden ist. Es ist:

Wo befinden sich Ausgleichs-, Retiming-, Taktwiederherstellungs- und FEC-Funktionen und welchen elektrischen Kanal müssen sie kompensieren?

Warum kürzere elektrische Verbindungen nicht automatisch ein besseres System schaffen

Durch die Reduzierung der elektrischen Reichweite wird ein Teil des Designs verbessert, andere können jedoch komplizierter werden.

• Konzentrieren Sie zusätzliche Wärme um die größte Wärmequelle des Systems

• Erhöhen Sie die Packungsgröße und die Substratkomplexität

• Erschweren Sie den Austausch optischer Engines

• Koppeln Sie die Ausbeute der optischen Engine mit der Ausbeute der Packung

• Erhöhen Sie die innere Faserdichte

• Erfordern eine präzisere Faser-zu-Chip-Ausrichtung

• Komplizierte Tests auf Paketebene

CPO, NPO und XPO sind daher unterschiedliche Möglichkeiten, technische Einschränkungen zu verteilen, anstatt sie zu beseitigen.

CPO-Architektur: Optische Engines im ASIC-Paket

Mitverpackte OptikPlatziert optische Engines in der Umgebung auf Paketebene des Switch-ASIC. Anstatt jede elektrische Hochgeschwindigkeitsleitung zum Frontpanel zu leiten, führt das System eine optische Umwandlung in der Nähe des ASIC durch und überträgt die Signale über Glasfaser zum Panel.

Dies ist die aggressivste der drei Architekturen zur Reduzierung der elektrischen Reichweite.

Physische Integration mit 2,5D- und 3D-Verpackung

CPO wird oft mit 2,5D- und 3D-Verpackungen in Verbindung gebracht, diese Begriffe sind jedoch nicht mit CPO austauschbar.

• Ein Switch-ASIC

• Mehrere optische Engines

• Siliziumphotonische Geräte

• Elektrische Treiber und Empfänger

• Verpacken Sie Substrate oder Interposer

• Faserbefestigungsstrukturen

• Thermospreizer oder Kühlplatten

Die optische Engine muss nicht auf demselben Halbleiterchip wie der ASIC hergestellt werden. Separate elektronische und photonische Chiplets können in derselben Baugruppe auf Gehäuseebene integriert werden.

DerOIF Co-Packaging Frameworkbeschreibt gemeinsam verpackte Baugruppen, die gesockelte oder gelötete ASICs und optische oder elektrische Motoren auf einem Hochleistungssubstrat enthalten. Außerdem wird eine gesockelte Near-Package-Anordnung besprochen, die die Montage- und Nachbearbeitungsflexibilität verbessern soll.

Die CPO-Bandbreite ist Implementierungsspezifisch

CPO ist eine Integrationsarchitektur und keine Klasse mit fester Bandbreite.

DerOIF 3.2 Tb/s Co-Packaged-Modul-ImplementierungsvereinbarungDefiniert einen 3,2-Tbit/s-Baustein für 51,2-Tbit/s-Switch-Baugruppen. Seine optischen Varianten umfassen parallele Glasfaser- und Wellenlängen-Multiplex-Konfigurationen, während das gleiche mechanische Konzept auch ein passives Kupfer-Anschlussmodul unterstützen kann.

Dieses 3.2T-Modul ist eine standardisierte Implementierung. Dies bedeutet nicht, dass jede CPO-Engine mit 3,2 Tbit/s betrieben werden muss oder dass CPO dauerhaft auf einen Bandbreitenbereich beschränkt ist.

• Anzahl der elektrischen Leitungen

• Datenrate pro Spur

• Anzahl der optischen Wellenlängen

• Modulationsformat

• Engine-Partitionierung

• Faseranzahl

• Pakettopologie

Vorteile bei Leistung und Latenz

Der Hauptvorteil der CPO-Leistung ergibt sich aus der Verkürzung der elektrischen Hochgeschwindigkeitsverbindung zwischen dem ASIC und der optischen Engine.

• Elektrische Hochleistungstreiber

• Starke erhalten Ausgleich

• Zwischenretimer

• Vollständige Modul-DSP-Verarbeitung

• Zusätzliche FEC-Stufen

Der Gesamtnutzen hängt von der Basisarchitektur ab. Die über die ASIC-zu-Optik-Schnittstelle eingesparte Leistung sollte nicht automatisch als der gleiche Prozentsatz der gesamten Schaltleistung dargestellt werden.

• Der Switch-ASIC

• Optische Modulatoren und Empfänger

• Laserquellen

• Spannungsumwandlung

• Kühlpumpen und Lüfter

• Verwaltungselektronik

• Hardware der Steuerungsebene

CPO kann auch die Schnittstellenlatenz reduzieren, indem es Retiming- und Signalverarbeitungsschritte entfernt oder vereinfacht. Es gibt keine universelle CPO-Latenzzahl, da das Ergebnis davon abhängt, ob die Messung die elektrische Schnittstelle, die optische Engine, FEC, die vollständige optische Verbindung, die Switch-Pipeline oder das End-to-End-Netzwerk abdeckt.

Gebrauchstauglichkeit, Ertrag und Fehlergrenzen

Herkömmliche steckbare Module schaffen eine klare Wartungsgrenze. Ein ausgefallenes Modul kann von der Frontplatte entfernt werden, ohne den Switch-ASIC auszutauschen.

CPO ändert diese Grenze.

Eine gelötete optische Einheit lässt sich nach dem Zusammenbau des Gehäuses möglicherweise nur schwer austauschen. Ein Fehler innerhalb eines eng integrierten Pakets kann daher den Ersatzbereich vergrößern und die Reparaturkosten erhöhen.

Dies bedeutet nicht, dass bei jedem optischen Ausfall der ASIC entsorgt werden muss. Die Gebrauchstauglichkeit hängt davon ab, ob das Design Folgendes verwendet:

• Gelötete optische Motoren

• Optische Motoren mit Sockel

• Austauschbare externe Laser

• Kanalredundanz

• Motorredundanz

• Überarbeitung auf Paketebene

• Depotreparatur statt Feldreparatur

Mit Sockeln versehene Motoren können die Nacharbeit bei der Fertigung verbessern, sind aber weiterhin weniger zugänglich als Frontplatten-Transceiver. Bei der Konstruktion müssen daher sowohl die anfängliche Fertigungsausbeute als auch die langfristige Betriebszuverlässigkeit berücksichtigt werden.

CPO-Paketarchitektur mit externer Laserquelle

Externe Laserquellen als thermischer und wartungstechnischer Kompromiss

Laser sind temperaturempfindliche Bauteile. Ihre Platzierung neben einem Hochleistungs-ASIC kann das thermische Design erschweren und den verfügbaren Zuverlässigkeitsspielraum verringern.

Eine externe Laserarchitektur trennt die Dauerstrichlaserquelle vom optischen Motor. Die optische Leistung wird über Glasfasern an die Modulatoren innerhalb der zusammengepackten Baugruppe geliefert, während der Laser an einem kühleren und besser zugänglichen Ort bleibt.

DerOIF ELSFP-Implementierungsvereinbarungdefiniert dieExterner Laser mit kleinem Formfaktor, steckbarals vor Ort austauschbare Quelle von Dauerstrichlicht für optische Transceiver, die in einem System integriert sind. Es verwendet eine blind steckbare elektrooptische Verbindung und ist hauptsächlich für CPO-Anwendungen gedacht.

• Trennung der thermischen Umgebung des Lasers vom ASIC-Paket

• Selbstständiger Austausch einer ausgefallenen Lichtquelle

• Vereinfachte Laserkühlung

• Zentralisiertes optisches Energiemanagement

• Mögliche Wiederverwendung oder Aufrüstung von Lasermodulen

Darüber hinaus werden Anforderungen an die optische Stromverteilung, die Sauberkeit der Steckverbinder, Sicherheitsverriegelungen, Redundanz und Überwachung gestellt.

ELSFP ist kein anderer Name für XPO. ELSFP versorgt gemeinsam verpackte Engines mit externer optischer Energie, während XPO eine andere steckbare optische Architektur definiert.

NPO-Architektur: Optische Engines in der Nähe des ASIC, aber außerhalb des Pakets

Near-Packaged-OptikPlatziert optische Engines auf der Host-Leiterplatte in der Nähe des Switch-ASIC, aber außerhalb des ASIC-Pakets.

NPO verkürzt die elektrische Reichweite und sorgt gleichzeitig für eine größere physische Trennung zwischen der optischen Engine und dem Host-Paket.

NPO-Board-Level-Optik-Engine-Architektur

Platzierung auf Platinenebene und mittlere elektrische Reichweite

• Neben dem ASIC

• Rund um den Umfang der ASIC-Kühlstruktur

• Auf einer nahegelegenen Tochterplatine

• In einer internen Steckverbinderbaugruppe

• Innerhalb eines Sockels auf Platinenebene

Die genaue Platzierung und Befestigungsmethode hängt von der Implementierung ab.

Im Vergleich zu Frontplattenoptiken reduziert NPO die Reichweite der Leiterplatte. Im Vergleich zu CPO überschreiten elektrische Signale immer noch die ASIC-Gehäusegrenze und wandern über einen Teil der Host-Leiterplatte.

NPO behält daher einige Einschränkungen hinsichtlich der elektrischen Kanäle bei und vermeidet gleichzeitig einige Integrationsrisiken auf Paketebene.

Optisch-elektrische Trennung und Reparaturfähigkeit

Da die optische Engine außerhalb des ASIC-Pakets bleibt, kann NPO eine kleinere Fehlerdomäne bereitstellen als eine eng integrierte CPO-Baugruppe.

Eine ausgefallene optische Engine kann möglicherweise ersetzt werden, ohne dass der Switch-ASIC ausgetauscht werden muss. Dies sollte jedoch nicht mit dem Hot-Swapping der Frontplatte verwechselt werden.

• Öffnen des Gehäuses

• Entfernen eines Kühlkörpers oder einer Kühlplatte

• Interne Fasern trennen

• Lösen eines internen Steckers oder einer Buchse

• Ersetzen einer Tochterplatine

• Durchführen von Nacharbeiten auf Platinenebene

NPO ist daher besser trennbar als CPO, aber weniger zugänglich als XPO oder ein herkömmliches Frontplattenmodul.

Verpackungs- und Kühlungsvorteile gegenüber CPO

NPO vermeidet die Platzierung jeder optischen Engine direkt im Host-Paket. Dies kann den Druck verringern auf:

• Paketsubstratbereich

• Optische Befestigung auf Paketebene

• Paketmontage

• Gekoppelte Paketausbeute

• Paketüberarbeitung

Es kann auch mehr Freiheit bieten, separate Wärmepfade für den ASIC und die optischen Engines einzurichten.

• Luftkühlung

• Leitfähige Wärmeverteiler

• Auf der Platine montierte Kühlkörper

• Systemkühlplatten

• Flüssigkeitskühlung auf Gehäuseebene

NPO erfordert immer noch eine anspruchsvolle Fertigung. Das Host-Board muss kurze elektrische Hochgeschwindigkeitsverbindungen, optische Motoren, interne Fasern, Stromversorgung, thermische Strukturen und Servicezugang innerhalb eines begrenzten Bereichs integrieren.

Grenzen von NPO

NPO verkürzt den elektrischen Pfad nicht so stark wie CPO. Daher ist möglicherweise eine stärkere Entzerrung oder ein stärkeres Retiming erforderlich als bei einer optischen Engine auf Paketebene.

• Das ASIC-Paket

• Host-PCB-Spuren

• Zwischenverbinder

• Platzierung des Motors

• Stromtarif

• Thermisches Design

• Interne Faserführung

NPO sollte nicht durch eine feste Gesamtbandbreite definiert werden. Seine Kapazität hängt von der Anzahl der elektrischen Spuren, der Datenrate pro Spur, dem optischen Wellenlängenplan und der Motoraufteilung ab.

NPO als Zwischenarchitektur

• Die elektrische Reichweite auf der Vorderseite wird immer schwieriger

• Eine vollständige CPO-Integration ist nicht akzeptabel

• Eine interne Motorwartung ist möglich

• Eine optische Integration auf Platinenebene ist möglich

• Ein Austausch der Frontplatte im laufenden Betrieb ist nicht unbedingt erforderlich

Dies bedeutet nicht, dass NPO vorübergehend sein muss. Es kann überall dort nützlich bleiben, wo Systementwickler Wert auf eine kürzere elektrische Reichweite und eine teilweise Unabhängigkeit von der optischen Engine legen.

XPO-Architektur: Neuaufbau des steckbaren Modells für extreme Dichte

XPO steht für eXtra-dense Pluggable Optics. Es behält eine Frontplatten-Ersatzgrenze bei, erhöht gleichzeitig die Dichte der elektrischen Leitungen und führt eine Flüssigkeitskühlung auf Modulebene ein.

Der BeamteXPO MSAentwickelt einen flüssigkeitsgekühlten, steckbaren Formfaktor, der dies unterstützt64 elektrische Hochgeschwindigkeitsspuren. Die MSA steht interessierten Teilnehmern diskriminierungsfrei offen.

Im Gegensatz zu CPO und NPO löst XPO das Problem der elektrischen Distanz nicht in erster Linie dadurch, dass die optische Konvertierung neben dem ASIC erfolgt. Der Schwerpunkt liegt auf der Erhöhung der Dichte und Kühlleistung eines austauschbaren Frontplattenmoduls.

XPO Flüssigkeitsgekühltes steckbares Modul

Steckbarkeit auf der Vorderseite und Integration auf Modulebene

Ein XPO-Modul bleibt über die Frontplatte zugänglich.

• Unabhängiger Modulaustausch

• Außendienst

• Getrennte Lebenszyklen von Schaltern und Optiken

• Inventar auf Modulebene

• Flexible Auswahl der optischen Reichweite

• Klarere Fehlerisolierung

Die Kosten sind eine größere und komplexere Modulgrenze. XPO muss eine große Anzahl elektrischer Leitungen, eine erhebliche Stromversorgung, eine dichte optische Konnektivität, Modulmanagement, Flüssigkeitskühlung und einen zuverlässigen Einführ- und Auswurfmechanismus bieten.

Was 64 elektrische Leitungen für das Systemdesign bedeuten

Das XPO MSA identifiziert derzeit eine 64-spurige elektrische Schnittstelle. Die gesamte optische Kapazität hängt von der endgültigen Signalrate pro Spur, der Modulationsmethode, der Kodierung, der Retiming-Architektur und der optischen Implementierung ab.

• Dichte der elektrischen Anschlüsse

• Fluchtroute der Host-Leiterplatte

• Stromversorgung des Moduls

• Thermische Belastung

• Modulsteuerung und Diagnose

• Anzahl optischer Sender und Empfänger

• Faser- oder Wellenlängenkartierung

Bis zur Veröffentlichung der vollständigen MSA-Spezifikation sollten die genaue Modulbandbreite, Leistungsgrenzen, Anschlussbelegungen und mechanischen Abmessungen als umsetzungsabhängige und nicht als universelle XPO-Spezifikationen behandelt werden.

Integrierte Flüssigkeitskühlung

XPO platziert Flüssigkeitskühlung in der steckbaren Modularchitektur.

Dies ist eine grundlegende Veränderung gegenüber herkömmlichen luftgekühlten Modulen. Das Kühlsystem muss zusammenwirken mit:

• Elektrische Kontakte

• Optische Schnittstellen

• Modulaufbewahrung

• Managementverbindungen

• Verfahren zum Einsetzen und Entfernen

• Servicezugang

Die Flüssigkeitskühlung bringt zusätzliche technische Anforderungen mit sich, darunter:

• Zuverlässige Flüssigkeitsverbindungen

• Leckverhinderung und -erkennung

• Blind-Mate-Ausrichtung

• Kühlmittelkompatibilität

• Druckabfallkontrolle

• Einsteckkraft des Moduls

• Wartungsverfahren

Die Kühlschnittstelle wird Teil des Modulservicemodells und nicht nur Teil des Switch-Chassis.

XPO bedeutet nicht, dass der externe Laser steckbar ist

Die offizielle Erweiterung von XPO istExtrem dichte steckbare Optik.

In einer bestimmten optischen Implementierung kann ein externer Laser verwendet werden, dies ist jedoch nicht das bestimmende Merkmal von XPO.

Der korrekte standardisierte Begriff für den austauschbaren externen Laser, der hauptsächlich bei CPO verwendet wird, lautetELSFP, oder externer Laser mit kleinem Formfaktor, steckbar.

Wartungsvorteile und zusätzliche Komplexität

XPO bietet das klarste Feldersatzmodell unter den drei Architekturen.

Ein ausgefallenes Modul kann von der Frontplatte entfernt werden, ohne den Switch-ASIC auszutauschen oder auf eine interne optische Engine zuzugreifen.

Allerdings ist die flüssigkeitsgekühlte Steckbarkeit mechanisch anspruchsvoller als der herkömmliche Modultausch. Ein fertiges Design muss möglicherweise verbunden und getrennt werden:

• Elektrische Hochgeschwindigkeitsspuren

• Leistungskontakte

• Managementsignale

• Optische Fasern

• Flüssigkeitskühlanschlüsse

• Mechanische Haltefunktionen

Alle Schnittstellen müssen über wiederholte Einsteck- und Entnahmezyklen zuverlässig bleiben.

CPO vs. NPO vs. XPO: Paralleler technischer Vergleich

Integrationsort und elektrische Entfernung

CPO bietet den kürzesten elektrischen Pfad, indem es die optische Konvertierung in die Umgebung auf Paketebene platziert.

NPO ermöglicht einen längeren Weg zwischen dem Paket und einem nahegelegenen, auf der Platine montierten Motor.

XPO behält die elektrische Verbindung zwischen dem ASIC und dem Frontplattenmodul bei.

Der tatsächliche Abstand variiert je nach Implementierung, daher sollten Architekturnamen nicht in universelle Spezifikationen für die physikalische Länge umgewandelt werden.

Kompromisse bei Leistung, Kühlung und Signalintegrität

CPO bietet das stärkste Potenzial zur Reduzierung der elektrischen Schnittstellenleistung, erzeugt jedoch die höchste thermische Konzentration um das ASIC-Gehäuse herum.

NPO sorgt für mehr Trennung zwischen ASIC und optischen Engines und reduziert gleichzeitig die Reichweite der Leiterplatte.

XPO erspart den Austausch von Modulen, konzentriert jedoch wesentliche Funktionalität und Wärme im Formfaktor der Frontplatte.

Gebrauchstauglichkeit und Fehlergrenzen

Die Ersetzungsgrenze unterscheidet sich erheblich:

• CPO:Paketbaugruppe oder interne optische Engine

• NPO:interner Motor, Sockel oder Tochterplatine

• XPO:Frontplattenmodul

Ingenieure müssen nicht nur beurteilen, ob eine Komponente technisch austauschbar ist, sondern auch, wo die Reparatur erfolgt, welche Werkzeuge erforderlich sind und wie viel vom System außer Betrieb genommen werden muss.

Verpackungskomplexität und Herstellungseigentum

• Halbleiterverpackung

• Siliziumphotonik

• Substrate verpacken

• Optischer Aufsatz

• Thermisches Design auf Paketebene

• Host-Board-Design

• Kurze elektrische Schnittstellen

• Interner optischer Motoraufsatz

• Glasfaser-Routing

• Kühlung auf Platinenebene

• Modulverpackung mit hoher Dichte

• Integration von Flüssigkeitskühlung

• Hochstrom-Stromversorgung

• Dichte elektrische und optische Schnittstellen

• Mechanik auf der Vorderseite

Wie sich das Produktionsökosystem verändert

CPO: Advanced Packaging und Siliziumphotonik

CPO erfordert eine enge Koordination zwischen ASIC-Design, photonischer Integration, Substratdesign, elektrischer Verpackung, optischer Befestigung, Wärmemanagement und Tests.

Mehrere Yield-Domains müssen gemeinsam verwaltet werden. Eine fertige Baugruppe kann einen hochwertigen Schalt-ASIC, mehrere optische Engines, photonische integrierte Schaltkreise, Treiber, Empfänger, Faserkoppler und Kühlstrukturen enthalten.

Tests mit zweifelsfrei funktionierenden Chips, gesockte Engines, externe Laser, Redundanz und Diagnose auf Paketebene können das Risiko verringern, erhöhen aber auch die Kosten und die Komplexität.

NPO: Board-Integration und interne optische Ausrichtung

NPO hält die optische Engine außerhalb des Gehäuses und bewegt sie gleichzeitig innerhalb des Switches.

Zu den Fertigungsprioritäten gehören kurze PCB-Kanäle, verlustarme elektrische Übergänge, interne Motoranschlüsse, Faserführung, Kühlung auf Platinenebene, optische Ausrichtung, Servicezugang und Motortestbarkeit.

NPO reduziert einige Einschränkungen auf Paketebene, schafft aber eine spezialisiertere Systemplatine.

XPO: Modulintegration und Flüssigkeitskühlung

XPO behält das optische Modul als separates Produkt bei, die erforderlichen Fähigkeiten gehen jedoch über herkömmliche Steckmodule hinaus.

Das Modul muss eine elektrische Schnittstelle mit hoher Lane-Anzahl, umfangreiche Stromversorgung, Flüssigkeitskühlung, dichte optische Konnektivität, Modulmanagement und mechanische Wartungsfreundlichkeit vereinen.

Die zentrale Herausforderung besteht darin, eine austauschbare Modulgrenze beizubehalten und gleichzeitig deutlich mehr elektrische, optische und thermische Funktionalität in diese Grenze zu integrieren.

Auswirkungen auf MPO, Faserarrays und optische Kopplung auf Chipebene

CPO, NPO und XPO machen eine Glasfaserverbindung nicht überflüssig. Sie verändern, wo die Verbindung erfolgt und welche Dichte, Präzision und mechanischen Eigenschaften erforderlich sind.

Wie CPO, NPO und XPO die Glasfaserkonnektivität verändern

XPO und hochdichte Multifaser-Konnektivität

Eine 64-spurige, steckbare elektrische Schnittstelle schafft einen starken Bedarf an organisierter, hochdichter optischer Leitungsführung.

• Wellenlängen-Multiplexing

• Duplex-Architektur

• Optische Modulation

• Erreichen

• Spurkartierung

• Steckerdesign

Zu den relevanten Überlegungen zu Steckverbindern und Kabeln gehören:

• Anschlussfläche

• Faserpolarität

• Einfügungs- und Rückflussdämpfung

• Reinigungszugang

• Kabelausgangsrichtung

• Führung um die Kühlstruktur

• Mechanische Belastung beim Austausch

• Steckersicherung

MPO-Schnittstellen eignen sich gut für standardisierte Mehrfaserverbindungen, die endgültige Steckerkonfiguration muss jedoch der vollständigen XPO-Spezifikation und der optischen Implementierung entsprechen.

Thermische und mechanische Anforderungen an flüssigkeitsgekühlte Module

Faserbaugruppen in der Nähe eines flüssigkeitsgekühlten Moduls müssen mit Flüssigkeitsanschlüssen, Kühlplatten, Stromkontakten, elektrischen Hochgeschwindigkeitsanschlüssen, Auswurfmechanismen und Haltestrukturen für die Frontplatte koexistieren.

• Biegeradiusverwaltung

• Kabelführung

• Zugänglichkeit der Anschlüsse

• Serviceschleifen

• Zugentlastung

• Wärmeausdehnung

• Mechanische Freigabe

Von universellen Temperaturklassen oder Mantelmaterialanforderungen sollte nicht ausgegangen werden, bevor endgültige Modul- und Systemspezifikationen vorliegen.

CPO und NPO verschieben optische Verbindungen innerhalb des Switches

Wenn optische Engines näher an den ASIC heranrücken, wird ein Teil der optischen Verbindung, die zuvor in einem Transceiver auf der Vorderseite enthalten war, zu einer internen optischen Verbindung.

• Interne Faserkabelbäume

• Kompakte Mehrfaser-Steckverbinder

• Fiber-Array-Einheiten

• Flache Routing-Strukturen

• Pigtails für optische Motoren

• Kopplungsbaugruppen auf Chipebene

CPO erfordert möglicherweise kleinere oder gehäusekompatiblere optische Schnittstellen als herkömmliche Frontplattenanschlüsse. Die bevorzugte Schnittstelle hängt vom verfügbaren Platz, der Faseranzahl, dem Verlustbudget, der Wartungsfreundlichkeit und dem Montageprozess ab.

Faserarrays, V-Grooves und Mikrolinsen

AFaserarrayPositioniert mehrere Fasern in einem kontrollierten Abstand, sodass sie an einen photonischen integrierten Schaltkreis gekoppelt werden können.

AV-NutDie Struktur positioniert die Fasern mechanisch und hilft, ihre relative Ausrichtung beizubehalten.

AMikrolinsenarraykann optische Strahlen zwischen den Fasern und dem photonischen Chip fokussieren, kollimieren oder umformen.

• Kantenkopplung

• Gitterkupplung

• Schnittstellen mit erweitertem Strahl

• Abnehmbare optische Verbindungen

• Fest angebrachte Faser-Array-Einheiten

Ihre erforderliche Ausrichtungstoleranz und Kopplungsleistung hängen vom optischen Modus, der Wellenleiterstruktur, der Linsengeometrie, dem Befestigungsmaterial und der Betriebstemperatur ab.

Faserarray, V-Nut und Mikrolinsenkopplung an einen Silizium-Photonik-Chip

So wählen Sie zwischen CPO, NPO und XPO

Keine einzelne Architektur ist für jeden Switch optimal.

Wählen Sie nach elektrischer Leistung und Strombudget

CPO ist der stärkste Kandidat, wenn die Minimierung der elektrischen Reichweite und die Schnittstellenleistung die vorherrschende Anforderung sind.

NPO ist relevant, wenn der elektrische Pfad verkürzt werden muss, eine Integration auf Paketebene jedoch nicht akzeptabel ist.

XPO ist geeignet, wenn die Wartungsfreundlichkeit der Frontplatte und eine erhöhte Steckdichte Vorrang vor einem minimalen elektrischen Abstand haben.

Wählen Sie nach Wartungsfreundlichkeit

XPO bietet das direkteste Ersatzmodell für Betreiber, die einen unabhängigen Optikbestand und eine schnelle Wartung vor Ort benötigen.

NPO kann geeignet sein, wenn im Rahmen der geplanten Fahrgestellwartung ein interner Motoraustausch durchgeführt werden kann.

CPO erfordert eine sorgfältige Analyse der Paketreparatur, der Motorredundanz, der Laserplatzierung und der Austauschkosten.

Wählen Sie nach Kühlbereitschaft

CPO erfordert die Fähigkeit, Wärme von optischen und elektrischen Komponenten, die sich um das ASIC-Gehäuse konzentrieren, abzuleiten.

NPO erfordert effektive Wärmepfade für interne, auf der Platine montierte optische Engines.

XPO erfordert eine Flüssigkeitskühlungsinfrastruktur und zuverlässige Flüssigkeitsschnittstellen an der Modulgrenze.

Wählen Sie nach Fertigungskapazität

CPO hängt stark von fortschrittlichen Halbleiter- und Photonikverpackungen ab.

NPO ist auf ein spezielles Platinendesign, eine interne optische Engine-Integration und eine Faserausrichtung angewiesen.

XPO basiert auf einem flüssigkeitsgekühlten Moduldesign, dichter elektrischer Konnektivität, hoher Leistungsabgabe und Mehrfaserschnittstellen.

Checkliste für technische Entscheidungen

Bestätigen Sie vor der Auswahl einer Architektur Folgendes:

• Erforderliche elektrische Reichweite zwischen ASIC und Optik

• Maximaler Kanalverlust

• Gesamtsystemleistungsbudget

• Kühlende Architektur

• Strategie zum Austausch optischer Motoren

• Akzeptable Fehlerdomäne

• Fähigkeit zur Herstellung von Paketen und Platinen

• Interner Raum für die Glasfaserführung

• Steckerdichte

• Anforderungen an die optische Ausrichtung

• Test- und Nacharbeitsstrategie

• Erwartete Upgrade-Zyklen für Schalter und Optik

Häufige Missverständnisse über CPO, NPO und XPO

Es handelt sich nicht um drei Bandbreitenstufen

CPO, NPO und XPO beschreiben Platzierungs- und Integrationsarchitekturen.

Ihre Gesamtbandbreite hängt von der Spuranzahl, der Datenrate pro Spur, der Wellenlängenarchitektur, dem Modulationsformat und der Systemgeneration ab.

Durch die Annäherung der Optik wird nicht jedes Problem beseitigt

Eine kürzere elektrische Reichweite kann den Kanalverlust und die Signalaufbereitungsleistung verringern, kann jedoch die Komplexität des Gehäuses, die thermische Konzentration, die Ertragskopplung und die Wartungskosten erhöhen.

Der kürzeste elektrische Weg ist nicht automatisch das System mit dem geringsten Risiko.

NPO ist nicht automatisch Hot-Swap-fähig

NPO trennt die optische Engine vom ASIC-Paket, aber die Engine verbleibt normalerweise im Gehäuse.

Der unabhängige Austausch sollte nicht mit dem Hot-Swapping der Frontplatte verwechselt werden.

CPO erfordert nicht immer den Austausch des ASIC nach einem optischen Ausfall

Die Fehlergrenze hängt davon ab, ob optische Engines verlötet, gesockelt, redundant oder unabhängig reparierbar sind.

CPO lässt sich weniger vor Ort warten als Frontplattenoptiken, das genaue Reparaturmodell ist jedoch anwendungsspezifisch.

XPO bedeutet nicht, dass der externe Laser steckbar ist

XPO bedeutetExtrem dichte steckbare Optik.

ELSFP ist der separate Begriff für einExterner Laser mit kleinem Formfaktor, steckbarQuelle, die hauptsächlich mit zusammengepackten optischen Systemen verwendet wird.

Werden CPO, NPO und Pluggable Optics nebeneinander existieren?

Die drei Architekturen lösen unterschiedliche Problemkombinationen, sodass eine Koexistenz technisch plausibel ist.

CPO bietet den kürzesten elektrischen Weg und den höchsten Paketintegrationsgrad.

NPO reduziert die PCB-Reichweite und sorgt gleichzeitig für eine größere Trennung zwischen ASIC und optischen Engines.

XPO verfügt über ein vor Ort austauschbares Frontplattenmodul und erhöht gleichzeitig die Dichte der elektrischen Leitungen und die Kühlleistung.

Ihre Akzeptanz wird nicht nur von der Bandbreite abhängen. Zu den wichtigen Variablen gehören:

• Schnittstellenleistung

• Gesamtsystemleistung

• Kühlinfrastruktur

• Verpackungsertrag

• Zuverlässigkeit der optischen Engine

• Anforderungen an die Feldwartung

• Interne Faserdichte

• Verbindungstechnik

• Herstellungskosten

• Bereitstellungsmaßstab

CPO sollte nicht als vorgegebener universeller Endpunkt behandelt werden. NPO können weiterhin nützlich sein, wenn sowohl Nähe als auch interne Brauchbarkeit wichtig sind. XPO kann dort attraktiv werden, wo Flüssigkeitskühlung verfügbar ist und Betreiber ein steckbares Wartungsmodell beibehalten möchten.

Das wahrscheinliche Ergebnis ist ein breiterer Satz optischer Architekturen, die auf unterschiedliche Switch-Designs, Netzwerkschichten, Kühlsysteme und Betriebsprioritäten abgestimmt sind.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Hauptunterschied zwischen CPO, NPO und XPO?

Der Hauptunterschied besteht in der Position des optischen Motors. CPO platziert die Engine in der Umgebung auf ASIC-Paketebene, NPO platziert sie auf der Systemplatine in der Nähe des ASIC und XPO bewahrt sie in einem flüssigkeitsgekühlten, steckbaren Modul auf der Vorderseite auf.

Warum kann CPO im Vergleich zu steckbaren Optiken auf der Vorderseite den Stromverbrauch senken?

CPO verkürzt die elektrische Verbindung zwischen ASIC und optischem Konvertierungspunkt. Dies kann den Aufwand für Entzerrung, Retiming, Antriebsleistung und Signalverarbeitung reduzieren. Der Gesamtsystemvorteil hängt von der elektrischen Schnittstelle und der Vergleichsbasislinie ab.

Kann eine optische CPO-Engine unabhängig ausgetauscht werden?

Es kommt auf das Verpackungsdesign an. Bei gesockelten Motoren können fertigungstechnische Nacharbeiten oder ein spezieller Austausch erforderlich sein, während gelötete Motoren schwieriger zu warten sind. Keines davon bietet normalerweise die gleiche Zugänglichkeit wie ein Frontplattenmodul.

Ist NPO Hot-Swap-fähig?

Nicht unbedingt. NPO-Engines verbleiben im Switch und erfordern möglicherweise Zugriff auf das Gehäuse, den Ausbau von Kühlkomponenten, die Trennung der internen Glasfaser oder eine Wartung auf Platinenebene.

Was bedeutet XPO?

XPO bedeutetExtrem dichte steckbare Optik. Das XPO MSA entwickelt einen flüssigkeitsgekühlten, steckbaren Formfaktor, der 64 elektrische Hochgeschwindigkeitsleitungen unterstützt.

Wie werden sich diese Architekturen auf MPO-Anschlüsse und Glasfaser-Arrays auswirken?

XPO unterstützt die anhaltende Nachfrage nach dichter Multifaser-Konnektivität auf der Vorderseite. CPO und NPO verlagern mehr optisches Routing innerhalb des Switches und erhöhen die Bedeutung kompakter Faserarrays, interner Kabelbäume, V-Nut-Ausrichtung, Mikrolinsen und gehäusekompatibler optischer Schnittstellen.