Page 32 - 网络电信2024年10月刊
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光通信

而实现低功耗数据中心光互联的方式主要是通过降低器件成本                      同时维持误码率不变的优化创新方案。其中线性接收光学技术
或减少器件数目。而随着技术的发展，纳米光子学、石墨烯、                      (Linear Receive Oprics,LRO)在发射端保留DSP而在接收端采
氮化硅等新材料的应用为超低功耗光互联提供了新的技术路                       用无DSP得线性输出，可以弥补LPO方案的缺陷，在OFC 2024上
径。新材料技术将推动光子器件的小型化和高效化，并为实现                      也对适用于1.6T的LRO进行了重点讨论。
数据中心超低功耗光互联提供解决方案。
                                                       CPO和LPO技术都正成为解决数据中心超低功耗光互联的流
     3.2 CPO与LPO技术                               行方案，但是二者的发展都要依靠封装技术和散热技术的进步
      随着光模块的升级，其功耗也随之上涨，约占整机功耗的                  从而进一步降低成本。针对两种技术各自的优缺点，未来哪种
40%以上。光模块能耗的飞速增长给数据中心功耗与成本造成了                    技术将会成为数据中心的主流仍然需要进一步讨论和观测。
巨大压力，因此需要新的技术解决传统可插拔光模块的功耗问
题。共包装光学技术(Co-packed Optics,CPO)技术是一种新型                3.3 低功耗FEC设计
的数据中心光互联方案，其原理如图6所示。                                   作为数据中心DSP功耗的主要部分，设计低功耗的前
                                                 向纠错码(Forward Error Correction,FEC)是数据中心实
 图6 CPO技术原理图                                     现超低功耗光互联的研究重点之一。表4对三种不同的FEC
                                                 方案进行了比较。

                                                 表4 不同FEC方案比较

      CPO的核心思想是将光芯片与交换芯片或处理器等集成                           SFECL: Soft-Decision Forward Error Correction Logic 软判决前向纠错逻辑
电路封装在一起，缩短光信号在光和电器件之间传输距离进                                CFEC: Concatenated Forward Error Correction 级联前向纠错
而降低功耗。目前英特尔，博通等企业已退出基于CPO的多                               OFEC: Open Forward Error Correction 开放式前向纠错
款产品，预计在2026年至2027年CPO技术将实现大规模生产。
Lightcounting数据显示CPO出货主要用于超大规模数据中心短                    其中SFECL采用内部软判决码与外部硬判决码结合的级联
距离连接，全球CPO端口出货量预计会从2023年的5万增长至                   码，实现了性能与功耗间的良好平衡。但是在三者比较中，基
2027年的450万。CPO技术的应用为数据中心提供了低功耗高可                 于迭代编织码的OFEC方案性能最优。然而其伴随着高复杂度进
靠性的通信服务，但是其生产工艺复杂，内部散热等问题会限                      而会导致整体功耗升高。将其解码算法分为多个阶段进行可
制其在数据中心的大规模应用。因此，CPO技术下一步需要依赖                    有效缓解此问题，有利于保持高性能的同时降低总功耗[46]。
开发更紧凑，更先进的集成技术和封装方案以及更高效的散热                      此外，随着PAM4等高阶调制格式在高速系统中应用，低功耗
技术，才能进一步保证数据中心超低功耗光互联的质量。                        的 FEC 正被优化以支持这些格式，文献[47]就提出并验证了
                                                 采用低密度奇偶校验码(low-density parity-check,LDPC)编
      线性驱动可插拔光模块(Linear Drive Pluggable Optics,  码概率整形PAM4的IMDD传输。然而虽然LDPC的性能可接近香农
LPO)也是一种数据中心光互联技术，通过线性直驱技术将传统                    极限但其较高复杂度是影响实现数据中心低功耗光互联的因
的DSP替换掉进而降低系统功耗，其主要运用在高速光模块领                     素之一，为权衡功耗与性能，文献[48]提出了一种轻量级的
域。LPO方案与传统DSP方案的对比如图7所示。                         Reed-Solomon(RS)码与LDPC码级联的方法，仿真结果表明与
 图7 LPO与DSP方案对比(a)DSP;(b)LPO                     传统FEC方案相比，在误码率为10-3量级时，性能大约可提高
                                                 1.7dB。
      LPO技术是为了降低DSP的功耗而产生的，LPO将DSP芯片
功能集成在交换芯片中，从而省去DSP芯片只留下夸阻放大器                           综上所述，在不影响纠错效果的前提下尽可能降低功耗，
(Transimpedance Amplifier,TIA)和驱动(Driver)，组件数量   是低功耗FEC设计的核心理念。在软件方面应不断开发更高效的
的减少使系统更加简便。而通过牺牲DSP实现功耗的降低必然会                    算法，未来还应逐步与机器学习等技术融合，以实现动态优化
影响系统的误码率同时限制传输距离，所以LPO应用场景具有                     性能。在硬件方面FEC应与光模块中的硬件加速器集成，依靠硬
针对性，目前各个厂商发展LPO技术的同时也在探索降低功耗                     件实现高效的实施编码与解码，这会减少处理延迟进一步降低

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