芝能智芯出品隨著數據中心對能源效率和數據傳輸性能的需求不斷增長，線性可插拔光學器件（Linear Pluggable Optics, LPO）作為一種新興技術，正逐漸受到行業關注。
LPO通過將數字信號處理（DSP）功能從傳統的可插拔光學模塊移至機架頂部（Top-of-Rack, ToR）交換機，顯著降低了功耗，同時維持了高速數據傳輸的能力。
與共封裝光學器件（Co-Packaged Optics, CPO）相比，LPO在節能幅度上略遜一籌，但其實現難度更低，且能有效緩解熱效應導致的光信號漂移問題。LPO的廣泛應用受限于互操作性挑戰。
為解決這一問題，光互聯網絡論壇（Optical Internetworking Forum, OIF）正在制定電氣標準，以提升LPO模塊的兼容性，推動其商業化落地。
本文將深入分析LPO的技術原理、在數據中心節能中的作用，以及其面臨的挑戰與未來前景。
Part 1
LPO的技術原理與節能優勢
●?LPO的工作機制
LPO是一種新型光學互連技術，優化數據中心內部的高速數據傳輸，核心創新在于重新分配傳統可插拔光學模塊中的DSP功能。
在傳統架構中，可插拔模塊（如八進制小型可插拔模塊，OSFP）內置DSP芯片，負責信號的重新定時、均衡、前向糾錯（FEC）等任務，以確保光信號在長距離傳輸中的質量。
然而，這些DSP芯片功耗較高，約占模塊總功耗的50%，成為數據中心節能的瓶頸。LPO的解決之道是將DSP功能集成到ToR交換機的專用集成電路（ASIC）中，使電信號能夠直接驅動光學引擎。
具體工作流程如下：
◎?信號發送端：交換機ASIC中的DSP處理數字信號，通過高速串行解串器（SerDes）鏈路傳輸至可插拔模塊。模塊內僅保留基本的模擬電路，如跨阻放大器（TIA）和連續時間線性均衡器（CTLE），用于將電信號轉換為光信號。
◎?信號接收端：光信號通過光纖傳輸到接收端后，轉換為電信號，再通過SerDes鏈路送回交換機ASIC進行處理。
通過消除模塊內的DSP芯片，LPO簡化了信號路徑，降低了功耗，同時保留了數據傳輸的高效性。
LPO的節能效果主要源于DSP功能的移除。據博通（Broadcom）公開數據，LPO模塊的功耗相比傳統模塊可降低約35%。例如，對于一個典型的400Gbps光學模塊，傳統設計功耗可能在15-20W之間，而LPO可將其降至10-13W。
這種節能幅度對于數據中心尤為重要，因為數據中心的電力消耗中有很大一部分來自互連設備。LPO還能減少模塊內部的熱量產生。
傳統模塊中的DSP芯片在高負載運行時會顯著升溫，導致熱效應干擾光信號的穩定性。LPO將DSP移至交換機ASIC后，模塊內部的熱負荷降低，有助于維持光信號的質量，減少因溫度波動導致的漂移問題。
Promex首席執行官Dick Otte曾指出，數據中心機架內設備的溫度控制需精確到十分之一攝氏度，LPO的低熱特性為此提供了支持。
相較于傳統可插拔模塊，LPO不僅降低了功耗，還簡化了模塊設計。傳統模塊需要復雜的數字電路來處理信號，而LPO利用交換機ASIC中現有的DSP能力，避免了功能的重復實現，降低了模塊的制造成本和技術復雜度，為數據中心提供了更經濟的選擇。
Part 2
LPO在數據中心中
的應用與挑戰
數據中心是云計算、大數據和人工智能等技術的核心基礎設施，其能源消耗問題日益凸顯。
根據國際能源署（IEA）數據，全球數據中心的電力消耗占總用電量的1%-2%，且隨著數據量的指數級增長，這一比例還在上升。
在數據中心內部，高速互連設備的功耗占總能耗的30%-40%，特別是ToR交換機之間的光纖連接，成為節能優化的重點。
LPO恰好滿足了這一需求。通過將DSP功能集成到交換機ASIC中，LPO不僅降低了單個模塊的功耗，還優化了整個互連系統的能源效率。
在典型的葉脊（Leaf-Spine）網絡架構中，ToR交換機作為葉交換機，通過光纖與脊交換機連接其他機架。LPO的應用使得這些短距離光互連更加高效。例如，在400Gbps或800Gbps的傳輸場景中，LPO能夠以更低的能耗支持更高的帶寬，適用于機架間通信。
LPO推廣面臨互操作性問題。由于缺乏統一的標準，不同廠商生產的LPO模塊可能無法在所有交換機系統中無縫兼容。
這種局限性源于LPO對電信號特性的依賴——到達模塊的電信號需要與光學引擎精確匹配，這些特性尚未標準化。
數據中心運營者可能被鎖定在單一供應商的生態系統中，限制了靈活性和成本優化。數據中心的核心優勢在于組件的可替換性，而LPO當前的互操作性問題削弱了這一特性。
若某廠商的LPO模塊與另一廠商的交換機不兼容，用戶將無法自由選擇更優性價比的解決方案。為應對互操作性挑戰，光互聯網絡論壇（OIF）正在積極制定電氣標準，以推動LPO的商業化。
● 主要項目包括：
◎?通用電氣I/O - 112G線性項目：該項目定義了電氣接口標準，確保LPO模塊能夠在不同系統中互操作。該標準不僅適用于LPO，還支持CPO和近封裝光學（NPO）等技術。
◎?重定時TX線性RX（RTLR）項目：RTLR通過在模塊中加入傳輸端重定時器，提升信號質量和傳輸距離。
傳統LPO缺少重定時功能，限制了信號的可恢復范圍，而RTLR在發送端清理信號，使接收端無需額外處理即可恢復數據。
OIF團隊表示，RTLR還能增強系統對主機和模塊差異的容忍度，并支持診斷功能，滿足超大規模數據中心的需求。
這些標準的制定將顯著提升LPO的適用性。例如，RTLR模塊的功耗預計為12 pJ/b，介于傳統重定時模塊（18 pJ/b）和非重定時LPO（6 pJ/b）之間，兼顧了節能與性能。OIF預計112G標準的草案已接近完成，224G標準也將隨后推出，為LPO的廣泛部署奠定了基礎。
CPO作為另一種節能方案，通過將光學器件直接集成到電氣封裝中，消除了SerDes鏈路，理論上比LPO節省更多能源。CPO面臨熱管理和制造工藝的挑戰，商業化進程較慢，LPO利用現有的可插拔模塊基礎設施，實現難度較低，適合作為過渡技術。
● 在實際應用中，LPO和CPO可能針對不同場景共存。
◎?LPO適用于機架內和機架間的短距離互連（0.5-1米），
◎?而CPO更適合高性能計算（HPC）等對帶寬和延遲要求極高的場景，
LPO可能率先實現商業化，為CPO的成熟爭取時間。
小結
線性可插拔光學器件（LPO）作為一種創新的光學互連技術，為數據中心的節能需求提供了切實可行的解決方案。
通過將DSP功能遷移至交換機ASIC，LPO顯著降低了功耗并優化了熱管理，使其在數據中心的高速互連中展現出巨大潛力。
