CPO vs NPO vs XPO: architettura, alimentazione, raffreddamento e manutenibilità nell'ottica del data center AI

I cluster AI stanno imponendo la scalabilità simultanea della larghezza di banda dello switch, del numero di corsie ottiche, della densità del pannello frontale e della potenza del sistema. Con l'aumento della velocità delle corsie elettriche, la connessione tra un ASIC switch e le relative interfacce ottiche diventa progressivamente più difficile da progettare. I canali PCB più lunghi introducono maggiori perdite e spesso richiedono un'equalizzazione, una risincronizzazione o un'elaborazione del segnale digitale più forti.

CPO, NPO e XPO risolvono questo problema attraverso tre diverse strategie di posizionamento del motore ottico:

• CPOsposta la conversione ottica nell'ambiente a livello di pacchetto dell'ASIC dello switch.

• ONLUSposiziona i motori ottici vicino all'ASIC ma li mantiene sul PCB host.

• XPOmantiene un modulo collegabile sul pannello frontale aumentando al contempo la densità delle linee elettriche e introducendo il raffreddamento a liquido a livello di modulo.

Il loro obiettivo comune è ridurre le limitazioni create dalla trasmissione elettrica ad alta velocità. Tuttavia, ciascuna architettura distribuisce in modo diverso energia, calore, rischio di imballaggio, connettività in fibra e responsabilità di manutenzione.

Cosa sono CPO, NPO e XPO?

CPO colloca i motori ottici all'interno dell'ambiente a livello di pacchetto dell'ASIC host, NPO li monta sul PCB del sistema vicino all'ASIC e XPO mantiene un modulo collegabile sul pannello frontale ad alta densità. Il principale compromesso è tra portata elettrica, integrazione del pacchetto, progettazione termica e manutenibilità sul campo.

ILQuadro OIF CEI-448Gdefinisce CPO come un dispositivo elettrico-ottico montato sul pacchetto host. Definisce NPO come un dispositivo montato sul PCB host adiacente al silicio host per ridurre al minimo le tracce del PCB e i requisiti di segnalazione elettrica.

Posizionamento del motore ottico CPO vs NPO vs XPO

Descrizioni come “CPO su scala micrometrica”, “NPO su scala centimetrica” e “collegabili su scala decimale” possono essere utili come illustrazioni concettuali, ma non rappresentano limiti di specifica universali. La distanza fisica dipende dal design del contenitore, della scheda, del connettore e dello chassis.

L’obiettivo condiviso: accorciare il percorso elettrico

In uno switch convenzionale, l'ASIC si trova sulla scheda di sistema mentre i ricetrasmettitori ottici sono installati sul pannello anteriore. I segnali elettrici ad alta velocità devono viaggiare attraverso le transizioni del pacchetto, le tracce del PCB, i via, i connettori e l'interfaccia elettrica del modulo prima che avvenga la conversione ottica.

A velocità dati più elevate, questo canale diventa più difficile da gestire. Perdita dielettrica, riflessioni, diafonia e discontinuità di impedenza riducono il margine del segnale. Il sistema può compensare attraverso un'equalizzazione più forte del trasmettitore e del ricevitore, il recupero del clock, la risincronizzazione, la correzione dell'errore diretto o un modulo DSP riprogrammato.

Avvicinando il motore ottico all'ASIC si accorcia la parte elettrica del collegamento. Una parte maggiore della distanza fisica può quindi essere coperta otticamente anziché tramite tracce PCB ad alta velocità.

Tre modelli di posizionamento del motore ottico

• CPO:la conversione ottica avviene all'interno dell'assieme a livello di pacchetto.

• ONLUS:la conversione ottica avviene sul PCB host vicino al pacchetto.

• XPO:la conversione ottica rimane all'interno di un modulo sostituibile del pannello frontale.

Questa decisione di posizionamento influenza la perdita elettrica del sistema, la distribuzione dell'energia, la struttura di raffreddamento, il percorso delle fibre, il processo di produzione e la strategia di riparazione.

Perché la portata elettrica è importante negli interruttori ad alta velocità

Come i percorsi elettrici più brevi riducono il carico di condizionamento del segnale

Il collegamento elettrico tra un ASIC e un motore ottico consuma parte dell'integrità del segnale, della potenza e dei budget termici del sistema.

Con l’aumento della velocità di corsia, la trasmissione PCB diventa sempre più sensibile a:

• Lunghezza della traccia

• Instradamento di fuga del pacchetto

• Perdita dielettrica della scheda

• Via e transizioni dei connettori

• Diafonia

• Perdita di rendimento

• Capacità di equalizzazione

Un canale più lungo richiede generalmente una maggiore compensazione. Questa compensazione consuma energia e crea calore, spesso in aree in cui il flusso d’aria e lo spazio sui pannelli sono già limitati.

Perdita di canale PCB, equalizzazione e potenza

Un modulo ottico convenzionale può contenere un DSP che recupera e riprogramma il segnale elettrico prima della trasmissione ottica. Ciò crea un confine robusto del modulo, ma aggiunge anche potenza all'interno del ricetrasmettitore.

Un percorso elettrico più breve può supportare altre disposizioni di interfaccia:

• Ottica lineare, dove rimane una maggiore quantità di condizionamento del segnale nell'ASIC host

• Ottica semiritardata, dove solo una parte dell'interfaccia viene riprogrammata

• Ottica completamente rifasata, dove il modulo fornisce un confine di risincronizzazione completo

La progettazione preferita dipende dalla capacità SerDes dell'host, dalla perdita di canale, dai requisiti di interoperabilità, dalla portata ottica, dai limiti termici e dal rischio di implementazione accettabile.

La questione ingegneristica rilevante quindi non è semplicemente se è presente un DSP. È:

Dove si trovano le funzioni di equalizzazione, risincronizzazione, recupero del clock e FEC e quale canale elettrico devono compensare?

Perché collegamenti elettrici più brevi non creano automaticamente un sistema migliore

La riduzione della portata elettrica migliora una parte del progetto ma può complicarne altre.

• Concentrare il calore aggiuntivo attorno alla fonte termica più grande del sistema

• Aumentare le dimensioni della confezione e la complessità del substrato

• Rendere i motori ottici più difficili da sostituire

• Abbina la resa del motore ottico alla resa della confezione

• Aumenta la densità delle fibre interne

• Richiedono un allineamento fibra-chip più preciso

• Test complessi a livello di pacchetto

CPO, NPO e XPO sono quindi modi diversi di distribuire i vincoli ingegneristici anziché eliminarli.

Architettura CPO: motori ottici all'interno del pacchetto ASIC

Ottiche co-confezionatecolloca i motori ottici all'interno dell'ambiente a livello di pacchetto dell'ASIC dello switch. Invece di instradare ogni linea elettrica ad alta velocità verso il pannello frontale, il sistema esegue la conversione ottica vicino all'ASIC e trasporta i segnali verso il pannello attraverso la fibra.

Questa è la più aggressiva delle tre architetture nel ridurre la portata elettrica.

Integrazione fisica con packaging 2.5D e 3D

CPO è spesso associato al packaging 2.5D e 3D, ma questi termini non sono intercambiabili con CPO.

• Un interruttore ASIC

• Motori ottici multipli

• Dispositivi fotonici al silicio

• Driver e ricevitori elettrici

• Substrati o interpositori del pacchetto

• Strutture di attacco delle fibre

• Diffusori termici o piastre fredde

Il motore ottico non deve essere fabbricato sullo stesso die semiconduttore dell'ASIC. Chiplet elettronici e fotonici separati possono essere integrati nello stesso assieme a livello di pacchetto.

ILQuadro di co-packaging dell'OIFdescrive assiemi co-confezionati contenenti ASIC con zoccolo o saldati e motori ottici o elettrici su un substrato ad alte prestazioni. Viene inoltre discussa una disposizione quasi-package con incastro intesa a migliorare la flessibilità di assemblaggio e rilavorazione.

La larghezza di banda CPO è specifica dell'implementazione

CPO è un'architettura di integrazione piuttosto che una classe di larghezza di banda fissa.

ILAccordo di implementazione del modulo co-confezionato OIF da 3,2 Tb/sdefinisce un blocco costitutivo da 3,2 Tb/s per gruppi di switch da 51,2 Tb/s. Le sue varianti ottiche includono configurazioni a fibra parallela e multiplexata in lunghezza d'onda, mentre lo stesso concetto meccanico può anche supportare un modulo di collegamento passivo in rame.

Questo modulo 3.2T è un'implementazione standardizzata. Ciò non significa che ogni motore CPO debba funzionare a 3,2 Tbps o che il CPO sia permanentemente limitato a un intervallo di larghezza di banda.

• Conteggio delle corsie elettriche

• Velocità dati per corsia

• Conteggio della lunghezza d'onda ottica

• Formato di modulazione

• Partizionamento del motore

• Conteggio delle fibre

• Topologia del pacchetto

Vantaggi in termini di potenza e latenza

Il principale vantaggio in termini di potenza del CPO deriva dalla riduzione della connessione elettrica ad alta velocità tra l'ASIC e il motore ottico.

• Driver elettrici ad alta oscillazione

• Forte riceve l'equalizzazione

• Retimer intermedi

• Elaborazione DSP del modulo completo

• Fasi FEC aggiuntive

Il vantaggio totale dipende dall'architettura di base. La potenza risparmiata attraverso l'interfaccia ASIC-ottica non dovrebbe essere presentata automaticamente come la stessa percentuale della potenza totale dello switch.

• L'ASIC dell'interruttore

• Modulatori e ricevitori ottici

• Sorgenti laser

• Conversione di tensione

• Pompe e ventole di raffreddamento

• Elettronica di gestione

• Hardware del piano di controllo

Il CPO può anche ridurre la latenza dell'interfaccia quando rimuove o semplifica le fasi di risincronizzazione e di elaborazione del segnale. Non esiste un valore di latenza CPO universale perché il risultato dipende dal fatto che la misurazione copra l'interfaccia elettrica, il motore ottico, il FEC, il collegamento ottico completo, la pipeline di commutazione o la rete end-to-end.

Limiti di funzionalità, rendimento e guasto

I tradizionali moduli collegabili creano un chiaro confine di manutenzione. Un modulo guasto può essere rimosso dal pannello frontale senza sostituire l'ASIC dello switch.

Il CPO modifica questo confine.

Un motore ottico saldato potrebbe essere difficile da sostituire dopo l'assemblaggio del pacchetto. Un guasto all'interno di un pacchetto strettamente integrato può quindi ampliare il dominio di sostituzione e aumentare i costi di riparazione.

Ciò non significa che ogni guasto ottico richieda lo smaltimento dell'ASIC. La funzionalità dipende dal fatto che il progetto utilizzi:

• Motori ottici saldati

• Motori ottici con zoccolo

• Laser esterni sostituibili

• Ridondanza dei canali

• Ridondanza del motore

• Rielaborazione a livello di pacchetto

• Riparazione in deposito piuttosto che riparazione sul campo

I motori dotati di socket possono migliorare la rilavorazione della produzione, ma rimangono meno accessibili rispetto ai ricetrasmettitori sul pannello frontale. La progettazione deve quindi considerare sia la resa di produzione iniziale che l'affidabilità in servizio a lungo termine.

Architettura del pacchetto CPO con sorgente laser esterna

Sorgenti laser esterne come compromesso termico e di manutenzione

I laser sono componenti sensibili alla temperatura. Posizionarli accanto a un ASIC ad alta potenza può complicare la progettazione termica e ridurre il margine di affidabilità disponibile.

Un'architettura laser esterna separa la sorgente laser a onda continua dal motore ottico. La potenza ottica viene fornita tramite fibra ai modulatori all'interno del gruppo co-confezionato, mentre il laser rimane in una posizione più fresca e accessibile.

ILAccordo di attuazione dell'OIF ELSFPdefinisce ilLaser esterno con fattore di forma ridotto collegabilecome fonte di luce a onda continua sostituibile sul campo per ricetrasmettitori ottici confezionati all'interno di un sistema. Utilizza una connessione elettro-ottica blind-mate ed è destinato principalmente ad applicazioni CPO.

• Separazione dell'ambiente termico del laser dal pacchetto ASIC

• Sostituzione indipendente di una sorgente luminosa guasta

• Raffreddamento laser semplificato

• Gestione centralizzata della potenza ottica

• Potenziale riutilizzo o aggiornamento dei moduli laser

Crea inoltre requisiti per la distribuzione della potenza ottica, la pulizia dei connettori, gli interblocchi di sicurezza, la ridondanza e il monitoraggio.

ELSFP non è un altro nome per XPO. ELSFP fornisce alimentazione ottica esterna ai motori co-confezionati, mentre XPO definisce una diversa architettura ottica collegabile.

Architettura NPO: motori ottici vicini all'ASIC ma esterni al pacchetto

Ottica quasi confezionataposiziona i motori ottici sul PCB host vicino all'ASIC dello switch ma all'esterno del pacchetto ASIC.

L'NPO riduce la portata elettrica mantenendo una maggiore separazione fisica tra il motore ottico e il pacchetto host.

Architettura del motore ottico a livello di scheda NPO

Posizionamento a livello di scheda e portata elettrica intermedia

• Accanto all'ASIC

• Intorno al perimetro della struttura di raffreddamento ASIC

• Su una scheda figlia vicina

• In un assieme connettorizzato interno

• All'interno di un socket a livello di scheda

Il posizionamento esatto e il metodo di collegamento dipendono dall'implementazione.

Rispetto all'ottica del pannello frontale, NPO riduce la portata del PCB. Rispetto al CPO, i segnali elettrici attraversano comunque il confine del pacchetto ASIC e viaggiano attraverso parte del PCB host.

NPO mantiene quindi alcuni vincoli di canale elettrico evitando alcuni rischi di integrazione a livello di pacchetto.

Separazione ottico-elettrica e riparabilità

Poiché il motore ottico rimane esterno al pacchetto ASIC, NPO può fornire un dominio di errore più piccolo rispetto a un assieme CPO strettamente integrato.

Un motore ottico guasto può essere sostituibile senza sostituire l'ASIC dell'interruttore. Tuttavia, questo non deve essere confuso con l'hot swap del pannello frontale.

• Apertura del telaio

• Rimozione di un dissipatore di calore o di una piastra fredda

• Disconnessione delle fibre interne

• Rilasciare un connettore o una presa interna

• Sostituzione di una scheda figlia

• Esecuzione di rielaborazioni a livello di consiglio di amministrazione

NPO è quindi più separabile di CPO ma meno accessibile di XPO o di un modulo convenzionale del pannello frontale.

Vantaggi di confezionamento e raffreddamento rispetto al CPO

NPO evita di posizionare ogni motore ottico direttamente all'interno del pacchetto host. Ciò può ridurre la pressione su:

• Area pacchetto-substrato

• Attacco ottico a livello di pacchetto

• Assemblaggio del pacchetto

• Resa della confezione accoppiata

• Rielaborazione del pacchetto

Può anche fornire una maggiore libertà nello stabilire percorsi termici separati per i motori ASIC e ottici.

• Raffreddamento ad aria

• Diffusori di calore conduttivi

• Dissipatori di calore montati su scheda

• Piastre fredde di sistema

• Raffreddamento a liquido a livello del telaio

L’NPO richiede ancora una produzione sofisticata. La scheda host deve integrare collegamenti elettrici corti ad alta velocità, motori ottici, fibre interne, erogazione di energia, strutture termiche e accesso ai servizi all'interno di un'area limitata.

Limiti dell'ONP

L'NPO non accorcia il percorso elettrico in modo così aggressivo come il CPO. Potrebbe quindi richiedere un'equalizzazione o una risincronizzazione più forte rispetto a un motore ottico a livello di pacchetto.

• Il pacchetto ASIC

• Tracce PCB host

• Connettori intermedi

• Posizionamento del motore

• Tariffa corsia elettrica

• Progettazione termica

• Instradamento interno della fibra

L'NPO non dovrebbe essere definito da una larghezza di banda aggregata fissa. La sua capacità dipende dal numero di corsie elettriche, dalla velocità dati per corsia, dal piano della lunghezza d'onda ottica e dalla partizione del motore.

NPO come architettura intermedia

• La portata elettrica del pannello frontale sta diventando troppo difficile

• La piena integrazione del CPO non è accettabile

• È possibile la manutenzione interna del motore

• È disponibile l'integrazione ottica a livello di scheda

• La sostituzione a caldo del pannello frontale non è essenziale

Ciò non significa che le NPO debbano essere temporanee. Può rimanere utile laddove i progettisti di sistema apprezzano sia la portata elettrica più breve che la parziale indipendenza dal motore ottico.

Architettura XPO: ricostruire il modello collegabile per densità estrema

XPO sta per eXtra-dense Pluggable Optics. Mantiene un confine di sostituzione del pannello frontale aumentando al contempo la densità delle corsie elettriche e introducendo il raffreddamento a liquido a livello di modulo.

Il funzionarioXPOMSAsta sviluppando un fattore di forma collegabile raffreddato a liquido che supporti64 corsie elettriche ad alta velocità. L'MSA è aperta ai partecipanti interessati su base non discriminatoria.

A differenza di CPO e NPO, XPO non risolve principalmente il problema della distanza elettrica spostando la conversione ottica accanto all'ASIC. Si concentra sull'aumento della densità e della capacità di raffreddamento di un modulo sostituibile del pannello frontale.

Modulo collegabile XPO raffreddato a liquido

Collegabilità al pannello frontale e integrazione a livello di modulo

Un modulo XPO rimane accessibile dal pannello frontale.

• Sostituzione indipendente del modulo

• Assistenza sul campo

• Cicli di vita separati per interruttori e ottiche

• Inventario a livello di modulo

• Selezione flessibile della portata ottica

• Isolamento dei guasti più chiaro

Il costo è un limite del modulo più ampio e complesso. XPO deve ospitare un numero elevato di linee elettriche, un'erogazione di potenza sostanziale, una fitta connettività ottica, gestione dei moduli, raffreddamento a liquido e un meccanismo di inserimento ed espulsione affidabile.

Cosa significano 64 corsie elettriche per la progettazione del sistema

L'XPO MSA attualmente identifica un'interfaccia elettrica a 64 corsie. La capacità ottica aggregata dipenderà dalla velocità di segnalazione finale per corsia, dal metodo di modulazione, dalla codifica, dall'architettura di risincronizzazione e dall'implementazione ottica.

• Densità del connettore elettrico

• Instradamento di fuga del PCB host

• Erogazione della potenza del modulo

• Carico termico

• Controllo e diagnostica del modulo

• Conteggio di trasmettitori e ricevitori ottici

• Mappatura della fibra o della lunghezza d'onda

Fino alla pubblicazione delle specifiche MSA complete, la larghezza di banda esatta del modulo, i limiti di potenza, le assegnazioni dei connettori e le dimensioni meccaniche dovrebbero essere trattati come specifiche XPO dipendenti dall'implementazione piuttosto che universali.

Raffreddamento a liquido integrato

XPO colloca il raffreddamento a liquido all'interno dell'architettura del modulo collegabile.

Si tratta di un cambiamento fondamentale rispetto ai moduli convenzionali raffreddati ad aria. Il sistema di raffreddamento deve funzionare insieme a:

• Contatti elettrici

• Interfacce ottiche

• Conservazione del modulo

• Collegamenti di gestione

• Procedure di inserimento e rimozione

• Accesso al servizio

Il raffreddamento a liquido introduce ulteriori requisiti tecnici, tra cui:

• Collegamenti fluidi affidabili

• Prevenzione e rilevamento delle perdite

• Allineamento del compagno cieco

• Compatibilità con il liquido di raffreddamento

• Controllo della caduta di pressione

• Forza di inserimento del modulo

• Procedure di manutenzione

L'interfaccia di raffreddamento diventa parte del modello di servizio del modulo anziché solo parte dello chassis dello switch.

XPO non significa collegabile al laser esterno

L'espansione ufficiale di XPO èOttica collegabile extra-densa.

Un laser esterno può essere utilizzato in una particolare implementazione ottica, ma non è la caratteristica distintiva di XPO.

Il termine standardizzato corretto per il laser esterno sostituibile utilizzato principalmente con CPO èELSFPo laser esterno collegabile con fattore di forma ridotto.

Vantaggi in termini di manutenibilità e maggiore complessità

XPO fornisce il modello di sostituzione sul campo più chiaro tra le tre architetture.

Un modulo guasto può essere rimosso dal pannello frontale senza sostituire l'ASIC dello switch o accedere al motore ottico interno.

Tuttavia, la collegabilità con raffreddamento a liquido è meccanicamente più impegnativa rispetto alla sostituzione convenzionale dei moduli. Potrebbe essere necessario connettere e disconnettere un progetto completato:

• Corsie elettriche ad alta velocità

• Contatti di potenza

• Segnali di gestione

• Fibre ottiche

• Porte di raffreddamento a liquido

• Caratteristiche di ritenzione meccanica

Tutte le interfacce devono rimanere affidabili anche dopo ripetuti cicli di inserimento e rimozione.

CPO vs NPO vs XPO: confronto ingegneristico affiancato

Posizione di integrazione e distanza elettrica

CPO fornisce il percorso elettrico più breve posizionando la conversione ottica all'interno dell'ambiente a livello di pacchetto.

NPO consente un percorso più lungo tra il pacco e un vicino motore montato su scheda.

XPO mantiene la connessione elettrica tra l'ASIC e il modulo del pannello frontale.

La distanza effettiva varia in base all'implementazione, quindi i nomi delle architetture non dovrebbero essere convertiti in specifiche di lunghezza fisica universali.

Compromessi in termini di alimentazione, raffreddamento e integrità del segnale

Il CPO offre il potenziale più elevato per ridurre la potenza dell'interfaccia elettrica, ma crea la concentrazione termica più elevata attorno al package ASIC.

NPO fornisce una maggiore separazione tra l'ASIC e i motori ottici riducendo al tempo stesso la portata del PCB.

XPO preserva la sostituzione dei moduli ma concentra funzionalità e calore sostanziali all'interno del fattore di forma del pannello frontale.

Confini di funzionalità e guasto

Il confine di sostituzione differisce in modo significativo:

• CPO:assemblaggio del pacchetto o motore ottico interno

• ONLUS:motore interno, presa o scheda figlia

• XPO:modulo del pannello frontale

Gli ingegneri devono valutare non solo se un componente è tecnicamente sostituibile, ma anche dove avviene la riparazione, quali strumenti sono necessari e quanta parte del sistema deve essere messa fuori servizio.

Complessità dell'imballaggio e proprietà della produzione

• Imballaggio dei semiconduttori

• Fotonica del silicio

• Substrati del pacchetto

• Attacco ottico

• Progettazione termica a livello di pacchetto

• Progettazione della scheda host

• Interfacce elettriche corte

• Attacco interno del motore ottico

• Instradamento della fibra

• Raffreddamento a livello di scheda

• Imballaggio dei moduli ad alta densità

• Integrazione del raffreddamento a liquido

• Erogazione di potenza ad alta corrente

• Interfacce elettriche e ottiche dense

• Meccanica del pannello frontale

Come cambia l’ecosistema produttivo

CPO: Packaging Avanzato e Fotonica del Silicio

Il CPO richiede uno stretto coordinamento tra progettazione ASIC, integrazione fotonica, progettazione del substrato, imballaggio elettrico, attacco ottico, gestione termica e test.

Più domini di rendimento devono essere gestiti insieme. Un assieme completato può contenere un ASIC di commutazione di alto valore, diversi motori ottici, circuiti integrati fotonici, driver, ricevitori, accoppiatori in fibra e strutture di raffreddamento.

Test di buona qualità, motori con zoccolo, laser esterni, ridondanza e diagnostica a livello di pacchetto possono ridurre i rischi, ma aggiungono anche costi e complessità.

NPO: Integrazione della scheda e allineamento ottico interno

NPO mantiene il motore ottico all'esterno della confezione mentre lo sposta all'interno dell'interruttore.

Le priorità di produzione includono canali PCB corti, transizioni elettriche a bassa perdita, connettori interni del motore, instradamento delle fibre, raffreddamento a livello di scheda, allineamento ottico, accesso alla manutenzione e testabilità del motore.

NPO riduce alcuni vincoli a livello di pacchetto ma crea una scheda di sistema più specializzata.

XPO: integrazione dei moduli e raffreddamento a liquido

XPO mantiene il modulo ottico come prodotto separato, ma le funzionalità richieste vanno oltre i connettori convenzionali.

Il modulo deve combinare un'interfaccia elettrica con un numero elevato di corsie, una notevole erogazione di potenza, raffreddamento a liquido, connettività ottica densa, gestione del modulo e facilità di manutenzione meccanica.

La sfida principale è preservare un confine del modulo sostituibile integrando al contempo una quantità significativamente maggiore di funzionalità elettriche, ottiche e termiche in quel confine.

Implicazioni per MPO, array di fibre e accoppiamento ottico a livello di chip

CPO, NPO e XPO non eliminano la necessità della connettività in fibra. Cambiano il punto in cui avviene la connessione e la densità, precisione e caratteristiche meccaniche richieste.

Come CPO, NPO e XPO cambiano la connettività in fibra

XPO e connettività multifibra ad alta densità

Un'interfaccia elettrica collegabile a 64 corsie crea una forte esigenza di instradamento ottico organizzato e ad alta densità.

• Multiplexing di lunghezze d'onda

• Architettura duplex

• Modulazione ottica

• Portata

• Mappatura delle corsie

• Progettazione del connettore

Le considerazioni rilevanti su connettori e cavi includono:

• Ingombro del connettore

• Polarità della fibra

• Inserzione e perdita di ritorno

• Accesso per la pulizia

• Direzione di uscita del cavo

• Percorso attorno alla struttura di raffreddamento

• Deformazione meccanica durante la sostituzione

• Conservazione del connettore

Le interfacce di tipo MPO sono adatte alla connettività multifibra standardizzata, ma la configurazione finale del connettore deve seguire la specifica XPO completata e l'implementazione ottica.

Requisiti termici e meccanici attorno ai moduli raffreddati a liquido

I gruppi di fibre vicino a un modulo raffreddato a liquido devono coesistere con porte del fluido, piastre fredde, contatti di alimentazione, connettori elettrici ad alta velocità, meccanismi di espulsione e strutture di ritenzione del pannello frontale.

• Gestione del raggio di curvatura

• Instradamento dei cavi

• Accessibilità del connettore

• Circuiti di servizio

• Pressacavo

• Dilatazione termica

• Gioco meccanico

Le classi di temperatura universali o i requisiti dei materiali del rivestimento non dovrebbero essere presupposti prima che siano disponibili le specifiche del modulo finale e del sistema.

CPO e NPO spostano le connessioni ottiche all'interno dello switch

Quando i motori ottici si avvicinano all'ASIC, parte della connessione ottica precedentemente contenuta all'interno di un ricetrasmettitore sul pannello frontale diventa un'interconnessione ottica interna.

• Cablaggi interni in fibra

• Connettori multifibra compatti

• Unità array in fibra

• Strutture di routing a basso profilo

• Trecce del motore ottico

• Gruppi di accoppiamento a livello di chip

Il CPO può richiedere interfacce ottiche più piccole o più compatibili con il pacchetto rispetto ai tradizionali connettori del pannello frontale. L'interfaccia preferita dipende dallo spazio disponibile, dal numero di fibre, dal budget di perdita, dalla funzionalità e dal processo di assemblaggio.

Array di fibre, scanalature a V e microlenti

UNmatrice di fibreposiziona più fibre con un passo controllato in modo che possano accoppiarsi a un circuito integrato fotonico.

UNScanalatura a VLa struttura localizza meccanicamente le fibre e aiuta a mantenere il loro relativo allineamento.

UNmatrice di microlentipuò focalizzare, collimare o rimodellare i raggi ottici tra le fibre e il chip fotonico.

• Accoppiamento del bordo

• Accoppiamento grigliato

• Interfacce a raggio espanso

• Connessioni ottiche rimovibili

• Unità array di fibre collegate in modo permanente

La tolleranza di allineamento richiesta e le prestazioni di accoppiamento dipendono dalla modalità ottica, dalla struttura della guida d'onda, dalla geometria della lente, dal materiale di fissaggio e dalla temperatura operativa.

Accoppiamento di array di fibre, scanalatura a V e microlenti con un chip fotonico al silicio

Come scegliere tra CPO, NPO e XPO

Nessuna singola architettura è ottimale per ogni switch.

Scegli in base alle prestazioni elettriche e al budget energetico

Il CPO è il candidato più forte quando si riduce al minimo la portata elettrica e la potenza dell'interfaccia è il requisito dominante.

L'NPO è rilevante quando il percorso elettrico deve essere accorciato ma l'integrazione a livello di pacchetto non è accettabile.

XPO è appropriato quando la funzionalità del pannello frontale e la maggiore densità di collegamento hanno la priorità rispetto alla distanza elettrica minima.

Scegli in base alla funzionalità

XPO fornisce il modello di sostituzione più diretto per gli operatori che necessitano di un inventario di ottiche indipendente e di una rapida assistenza sul campo.

NPO può essere adatto quando è possibile eseguire la sostituzione interna del motore durante la manutenzione programmata del telaio.

Il CPO richiede un'attenta analisi della riparazione del pacchetto, della ridondanza del motore, del posizionamento del laser e dei costi di sostituzione.

Scegli in base alla disponibilità del raffreddamento

Il CPO richiede la capacità di rimuovere il calore dai componenti ottici ed elettrici concentrati attorno al package ASIC.

NPO richiede percorsi termici efficaci per i motori ottici montati su scheda interna.

XPO richiede un'infrastruttura di raffreddamento a liquido e interfacce fluide affidabili al confine del modulo.

Scegli in base alla capacità di produzione

Il CPO dipende fortemente dai semiconduttori avanzati e dal packaging fotonico.

L'NPO dipende dalla progettazione specializzata della scheda, dall'integrazione interna del motore ottico e dall'allineamento delle fibre.

XPO dipende dal design del modulo raffreddato a liquido, da una fitta connettività elettrica, da un'erogazione ad alta potenza e da interfacce multifibra.

Lista di controllo delle decisioni ingegneristiche

Prima di selezionare un'architettura, confermare:

• Portata elettrica da ASIC a ottica richiesta

• Perdita massima del canale

• Budget totale di potenza del sistema

• Architettura di raffreddamento

• Strategia di sostituzione del motore ottico

• Dominio di errore accettabile

• Capacità di produzione di package e schede

• Spazio interno di instradamento della fibra

• Densità del connettore

• Requisiti di allineamento ottico

• Strategia di test e rielaborazione

• Cicli di aggiornamento previsti per interruttori e ottiche

Malintesi comuni su CPO, NPO e XPO

Non sono tre livelli di larghezza di banda

CPO, NPO e XPO descrivono architetture di posizionamento e integrazione.

La loro larghezza di banda aggregata dipende dal numero di corsie, dalla velocità dati per corsia, dall'architettura della lunghezza d'onda, dal formato di modulazione e dalla generazione del sistema.

Avvicinare l'ottica non risolve tutti i problemi

Una portata elettrica più breve può ridurre la perdita di canale e la potenza di condizionamento del segnale, ma può aumentare la complessità del pacchetto, la concentrazione termica, l'accoppiamento del rendimento e i costi di manutenzione.

Il percorso elettrico più breve non è automaticamente il sistema a rischio più basso.

NPO non è automaticamente sostituibile a caldo

NPO separa il motore ottico dal pacchetto ASIC, ma il motore normalmente rimane all'interno dello chassis.

La sostituzione indipendente non deve essere confusa con lo scambio a caldo del pannello frontale.

Il CPO non richiede sempre la sostituzione dell'ASIC dopo un guasto ottico

Il limite di guasto dipende dal fatto che i motori ottici siano saldati, collegati a socket, ridondanti o riparabili in modo indipendente.

Il CPO è meno riparabile sul campo rispetto all'ottica del pannello frontale, ma il suo modello di riparazione esatto è specifico dell'implementazione.

XPO non significa collegabile al laser esterno

XPO significaOttica collegabile extra-densa.

ELSFP è il termine separato per anLaser esterno con fattore di forma ridotto collegabilesorgente utilizzata principalmente con sistemi ottici co-confezionati.

CPO, NPO e ottiche collegabili coesisteranno?

Le tre architetture risolvono diverse combinazioni di problemi, quindi la coesistenza è tecnicamente plausibile.

CPO offre il percorso elettrico più breve e il livello di integrazione del pacchetto più elevato.

NPO riduce la portata del PCB preservando una maggiore separazione tra ASIC e motori ottici.

XPO conserva un modulo del pannello frontale sostituibile sul campo, aumentando al contempo la densità delle linee elettriche e la capacità di raffreddamento.

La loro adozione dipenderà da qualcosa di più della semplice larghezza di banda. Le variabili importanti includono:

• Potenza dell'interfaccia

• Potenza totale del sistema

• Infrastrutture di raffreddamento

• Resa dell'imballaggio

• Affidabilità del motore ottico

• Requisiti di manutenzione sul campo

• Densità delle fibre interne

• Tecnologia dei connettori

• Costo di produzione

• Scala di distribuzione

Il CPO non dovrebbe essere trattato come un endpoint universale predeterminato. L’NPO può rimanere utile laddove contano sia la prossimità che la funzionalità interna. XPO può diventare interessante laddove è disponibile il raffreddamento a liquido e gli operatori desiderano preservare un modello di manutenzione collegabile.

Il risultato probabile è un insieme più ampio di architetture ottiche abbinate a diversi progetti di switch, livelli di rete, sistemi di raffreddamento e priorità operative.

Domande frequenti

Qual è la differenza principale tra CPO, NPO e XPO?

La differenza principale è la posizione del motore ottico. CPO posiziona il motore all'interno dell'ambiente a livello di pacchetto ASIC, NPO lo posiziona sul PCB del sistema vicino all'ASIC e XPO lo mantiene in un modulo collegabile raffreddato a liquido sul pannello frontale.

Perché il CPO può ridurre la potenza rispetto alle ottiche collegabili sul pannello frontale?

Il CPO accorcia il collegamento elettrico tra l'ASIC e il punto di conversione ottica. Ciò può ridurre il carico di equalizzazione, risincronizzazione, potenza di azionamento e elaborazione del segnale. Il vantaggio totale del sistema dipende dall'interfaccia elettrica e dal confronto di base.

È possibile sostituire un motore ottico CPO in modo indipendente?

Dipende dal design della confezione. I motori con presa possono consentire rilavorazioni di produzione o sostituzioni specializzate, mentre i motori saldati sono più difficili da manutenere. Nessuno dei due normalmente fornisce la stessa accessibilità di un modulo del pannello frontale.

NPO è sostituibile a caldo?

Non necessariamente. I motori NPO rimangono all'interno dello switch e potrebbero richiedere l'accesso allo chassis, la rimozione dei componenti di raffreddamento, la disconnessione della fibra interna o la manutenzione a livello di scheda.

Cosa significa XPO?

XPO significaOttica collegabile extra-densa. XPO MSA sta sviluppando un fattore di forma collegabile raffreddato a liquido che supporta 64 corsie elettriche ad alta velocità.

In che modo queste architetture influenzeranno i connettori MPO e gli array di fibre?

XPO supporta la continua domanda di una fitta connettività multifibra sul pannello frontale. CPO e NPO spostano più routing ottico all'interno dello switch, aumentando l'importanza di array di fibre compatte, cablaggi interni, allineamento con scanalatura a V, microlenti e interfacce ottiche compatibili con il package.