LPO技术深度解析：从原理到部署的全面指南

  ICC讯  线性可插拔光学（Linear Pluggable Optics，LPO）是过去十年来数据中心光互连设计领域最重大的变革之一。它是一种高速光学收发器，采用模拟处理将均衡负担从模块移回主机交换机SerDes，消除DSP重定时器，从而降低功耗并实现AI和数据中心互连应用中更低延迟的直接连接。

  简单来说，LPO不是一种全新的模块类型，而是一种架构创新——用模拟信号处理取代数字信号处理，将信号调理的责任从模块转移到主机。

  传统重定时光链路的工作原理

  在理解LPO之前，首先需要了解传统方案的工作方式。在传统的DSP重定时模块中：

  1. 发射端：主机交换机SerDes传输的电信号到达模块时已被电通道劣化。模块内的DSP对该信号进行重定时、整形和放大，以驱动光调制器产生光输出。

  2. 接收端：信号由光电探测器检测，通过跨阻放大器转换为电压，然后DSP再次对电信号进行重定时、整形和放大，在传输至主机SerDes之前对其进行净化。

  DSP功能强大，能够补偿显著的信号劣化和反射，但代价是功耗巨大——当前数据中心部署中，1.6T DR-8重定时模块典型功耗约为23至25瓦。

  LPO如何改变架构

  LPO完全移除了模块中的DSP重定时器，模块本身大幅简化：

  - 发射端：连续时间线性均衡器用于输入均衡，驱动器和调制器产生光信号

  - 接收端：跨阻放大器以及可能的线性均衡器

  - 无DSP、无重定时、无时钟恢复

  主机交换机SerDes承担主要的信号调理工作，模块处理模拟放大和光学转换。通过对链路均衡的精心优化，这种模拟架构能够满足200G AI数据中心互连所需的性能要求。

  LPO的功耗优势

  功耗是LPO采用的主要商业驱动力。对于200G链路：

  LPO模块功耗不到当前重定时方案的一半。

  规模效应示例：在基于Tomahawk-6代的512端口交换机上，从重定时模块切换到LPO模块，仅模块级即可节省约500W，计入冷却后系统级节电近1kW。端口数翻倍至1024，节省也同样翻倍。

  LPO的关键参数

  1. 光传输距离

  对于200G LPO，当前光传输距离目标为500米，对应3dB光损耗预算，覆盖绝大多数实际数据中心链路长度。在具备合适接收灵敏度和发射功率的条件下，传输距离可在DR场景下扩展至约2公里——约4dB光预算。

  2. 电损耗预算

  LPO目前的目标是22dB die-to-die端口损耗——即交换机芯片与模块die之间在发射端和接收端的电损耗。作为参考，全重定时模块可在高达32dB的端口损耗下运行。Semtech和OIF正积极推动将此扩展至潜在的26dB。

  3. 主机端口校准

  校准流程确保主机端口在模块输入端提供正确成形的电眼图：

  1. 将主机合规板插入交换机

  2. 设置所部署模块所需的CTLE目标

  3. 应用具有严格受限抽头且无前标的均衡器以隔离校准

  4. 测量输出摆幅并验证正确的眼图形状

  5. 确认电通道损耗已在均衡中计入

  一旦校准完成，交换机可通过软件配置在模块插入时应用正确的CTLE设置，实现即插即用。

  LPO不是什么

  - LPO不是无源模块——它仍包含有源模拟组件，需要配置和校准

  - LPO并非通用替代方案——高损耗电通道、显著反射环境或需要最大TXFIR灵活性的部署，可能仍适合RTLR或全重定时方案

  正确选择取决于系统架构。

  标准进展

  LPO由一系列新兴标准规范：

  - 电接口：OIF CEI 224线性规范，目标22dB die-to-die端口损耗

  - 光接口：IEEE规定200G性能要求

  - LPO MSA：线性可插拔光学多源协议小组（Semtech为创始成员）将两者整合为统一标准

  部署考量

  现有平台兼容性：LPO模块可用于现有交换机平台，但需进行校准。电通道必须落在22dB损耗预算内。

  系统设计约束：

  - 22dB损耗预算约束PCB和通道设计

  - 500米/3dB光预算覆盖绝大多数数据中心拓扑

  - 约10W模块功耗支持激进的端口密度和散热优化

  结论

  LPO代表了数据中心光互连设计的重要转变。通过移除DSP重定时器，LPO在功耗上实现了显著节省——从23-25瓦降至约10瓦，同时保持200G链路所需的性能。虽然LPO对电通道损耗的容忍度更低，且需要主机端口校准，但标准工作正在积极推进，校准方法和标准框架已足够成熟以支持当前的部署规划。

  LPO并非适用于所有场景的通用解决方案，但对于追求功耗优化的大规模数据中心部署而言，它正成为一个越来越有吸引力的选择。随着标准成熟和生态系统扩展，LPO有望在AI数据中心互连中扮演日益重要的角色。

  备注：以上文章综合了两篇Semtech博客，原文请参考以下链接。

  AI Data Center Basics: What Is Linear Pluggable Optics (LPO)?  https://blog.semtech.com/ai-date-center-basics-what-is-linear-pluggable-optics-lpo

  200G LPO Power, Reach and Loss: Real Numbers  https://blog.semtech.com/200g-lpo-power-reach-and-loss-real-numbers