Da die Größe von KI-Clustern weiter zunimmt, ist der Port-Stromverbrauch von 800G/1.6T-Optikmodulen zu einem kritischen Engpass für die PUE von Rechenzentren geworden. Während herkömmliche, vollständig DSP-basierte Optikmodule (FRO – Fully Retimed Optics) ausgereifte Standards und lange Übertragungsdistanzen bieten, ist ihr Stromverbrauch von 14–16 W pro Port oft zu hoch, um praktikabel zu sein. Infolgedessen hat sich die Industrie von der traditionellen DSP-basierten linearen Architektur wegentwickelt, was zu zwei Mainstream-Ansätzen geführt hat: LPO und LRO/TRO.

LPO (Linear Pluggable Optics) eliminiert den DSP-Chip innerhalb des Moduls vollständig. Die TX-Seite nutzt einen linear angesteuerten Direktantriebs-Laser, während die RX-Seite das analoge Signal nach dem Durchlaufen eines TIA direkt an den Host-ASIC zurücksendet; Entzerrung, CDR und FEC-Dekodierung werden dann vom Switching-SerDes-Chip durchgeführt – ein Design, das auch als „Zero Retimed“-Architektur bekannt ist. Die Vorteile sind signifikant: Bei OSFP-800G-Ports wird der typische Stromverbrauch auf 5–8 W reduziert, was einer Energieeinsparung von über 50 % entspricht; die interne Modulverarbeitungslatenz beträgt weniger als 3 ns (ohne die Lichtwellenleiter-Ausbreitungsverzögerung); und die theoretischen Stücklistenkosten (BOM) werden um etwa 15 %–20 % reduziert. Dieser Ansatz bringt jedoch Kompromisse mit sich: Die Übertragungsdistanz ist begrenzt (für das Singlemode-DR8 beträgt die typische Reichweite ≤500 m; in Multimode-Szenarien sind es etwa 100 m), und er ist stark von der Leistung des Host-SerDes und der Kanalkonsistenz abhängig; die System-Fehlersuche ist komplex und die Interoperabilitätsstandards werden noch finalisiert; er eignet sich für Verbindungen mit extrem kurzer Reichweite innerhalb eines Racks oder zwischen benachbarten Racks.

LRO (Linear Receive Optics) und TRO (Transmit Retimed Optics) sind im Grunde zwei verschiedene Bezeichnungen für dasselbe Architekturdesign – erstere wird von der RX-Seite her als „linear“ bezeichnet, während letztere von der TX-Seite her als „retimed“ bezeichnet wird und auch als HalfRetimed-Architektur bekannt ist. Bei dieser Architektur behält die TX-Seite einen DSP zur Signalformung und zum Retiming bei, während die RX-Seite den DSP eliminiert und einen linearen TIA für die direkte Signalausgabe verwendet. Dieser Ansatz schafft ein Gleichgewicht zwischen der Signalqualität auf der Sendeseite und dem Stromverbrauch auf der Empfangsseite: Ein OSFP-gekapseltes 800G-Modul verbraucht typischerweise etwa 8–10 W; kommerzielle Massenprodukte unterstützen typischerweise eine Übertragungsdistanz von 2 km, während kundenspezifische Versionen bis zu 5 km unterstützen können; die interne Verarbeitungslatenz des Moduls beträgt etwa 6 ns (ohne die Lichtwellenleiter-Ausbreitungsverzögerung), was es für Rechenzentrumsverbindungen mit mittlerer und kurzer Reichweite geeignet macht. Während der Diskussionen über die nächste Generation von 1.6T-Produktiterationen ist sich die Industrie weitgehend einig, dass LRO/TRO ausgeprägtere Kompromissvorteile in Bezug auf Leistung und Ökosystemkompatibilität bietet und eine höhere Einsatzfähigkeit als LPO aufweisen dürfte.

Abbildung 1: Entwicklung der Optikmodul-Architektur – Vergleich der Signalströme von FRO/LRO/TRO/LPO

Tabelle 1: Vergleich der Schlüsselparameter für drei Optikmodul-Architekturen

Anmerkungen:

1. Stromverbrauch und Latenz stellen die internen Referenzwerte für das OSFP 800G DR8/2×FR4-Modul dar; diese Werte beinhalten nicht die Glasfaser-Übertragungslatenz; die spezifischen Parameter für verschiedene Gehäusetypen, optische Engines und Distanzspezifikationen können variieren.
2. Typische Reichweite: LRO – Kommerzielle Mainstream-Modelle aus Massenproduktion bieten 2 km und 5 km als kundenspezifische Optionen; LPO ≤ 500 m ist die Singlemode-DR8-Spezifikation; Multimode-LPO reicht bis zu etwa 100 m; FRO – Je nach Spezifikation unterstützt die FR4-Version bis zu 2 km, während die LR4-Version bis zu 10 km unterstützt.

Insgesamt ist LPO für KI-Cluster mit extremem Stromverbrauch und geringen Latenzanforderungen konzipiert, während LRO/TRO durch das Ausbalancieren von Leistung und Energieeffizienz ein breiteres Spektrum an mittel- bis kurzfristigen Szenarien abdeckt; diese Lösungen ergänzen die traditionellen FRO-Technologien, anstatt sie zu ersetzen. Die primären Kriterien für die Produktauswahl sind Übertragungsdistanz, Host-SerDes-Fähigkeiten und die Reife des Ökosystems.

Häufig gestellte Fragen:

F1: Wie sollte man zwischen LPO-, LRO/TRO- oder herkömmlichen DSP-Modulen wählen?

A: Die Auswahl hängt von der Übertragungsdistanz und den Fähigkeiten des Host-Chips ab. Wählen Sie für Distanzen ≤500 m (innerhalb eines einzelnen Racks oder für Verbindungen über extrem kurze Distanzen zwischen benachbarten Racks) LPO – es bietet den niedrigsten Stromverbrauch (5–8 W) und eine minimale interne Modullatenz; für DC-Verbindungen über mittlere bis kurze Distanzen von 25 km wählen Sie LRO/TRO – diese Option gleicht Stromverbrauch und Übertragungsdistanz aus; für Distanzen über 5 km oder Anwendungen, die Plug-and-Play-Funktionalität und Langstreckenübertragung erfordern, verwenden Sie herkömmliche DSP-Module. Überprüfen Sie zusätzlich, ob das SerDes des Switching-Chips den linearen Empfangsmodus unterstützt – Standard-Switch-SerDes können nicht direkt im LPO/LRO-Modus betrieben werden.

F2: Wie werden Signalqualität und Bitfehlerrate sichergestellt, wenn der DSP aus dem LPO entfernt wird?

A: LPO verlagert die Entzerrung (CTLE/FFE/DFE), die Taktrückgewinnung (CDR) und die FEC-Dekodierung vom Modul auf den SerDes-Block des Host-seitigen Switching-Chips. Dies stellt strengere Anforderungen an die Leistung des Host-SerDes und die Konsistenz des PCB-Kanals; vorausgesetzt, das Host-SerDes erfüllt die erforderliche Entzerrungsfähigkeit und die Leistungsspezifikationen des PCB-Kanals, ermöglicht der lineare Ansatz einen geringen Link-Verlust und eine geringe chromatische Dispersion in Kurzstreckenszenarien, wodurch die Anforderungen an die Bitfehlerrate vor der FEC erfüllt werden.

F3: Sind LRO und TRO dasselbe? Warum haben sie zwei verschiedene Namen?

A: Dies sind zwei Namenskonventionen für denselben architektonischen Ansatz. LRO (Linear Receive Optics) ist aus der Perspektive der Empfängerseite benannt – d. h. lineare Verarbeitung auf der RX-Seite ohne DSP; TRO (Transmit Retimed Optics) ist aus der Perspektive der Senderseite benannt – d. h. Beibehaltung des DSP-basierten Retimings auf der TX-Seite. Beide Begriffe beziehen sich auf eine halb-lineare (HalfRetimed) Architektur, bei der die TX-Seite einen DSP verwendet, während die RX-Seite eine lineare Verarbeitung einsetzt; diese Terminologie wird in der Industrie oft synonym verwendet.

F4: Kann das LPO/LRO-Modul mit einem herkömmlichen DSP-Modul verbunden werden?

A: Wenn die Parameter der optischen Schicht (Wellenlänge, Leistung, Modulationsformat) übereinstimmen, können optische Schnittstellen physisch verbunden werden; die Resynchronisations-/Signalverarbeitungsarchitekturen von LPO/LRO und FRO sind jedoch völlig unterschiedlich, und es gibt derzeit keinen ausgereiften Interoperabilitätsstandard, was eine direkte Serviceintegration in der überwiegenden Mehrheit der Szenarien unmöglich macht; nur ausgewählte herstellerspezifische kundenspezifische Versionen können nach umfangreichem gemeinsamen Debugging integriert werden, aber diese bieten keine universelle Interoperabilität. Derzeit arbeiten Organisationen wie OIF an der Entwicklung von Interoperabilitätsstandards für lineare optische Module, und das Ökosystem reift noch heran.