CPO vs NPO vs XPO: arquitetura, energia, resfriamento e capacidade de manutenção em óptica de data center de IA

Os clusters de IA estão forçando a escalabilidade simultânea da largura de banda do switch, da contagem de vias ópticas, da densidade do painel frontal e da potência do sistema. À medida que as taxas das vias elétricas aumentam, a conexão entre um switch ASIC e suas interfaces ópticas torna-se progressivamente mais difícil de projetar. Canais PCB mais longos introduzem mais perdas e geralmente exigem equalização, reprogramação ou processamento de sinal digital mais fortes.

CPO, NPO e XPO resolvem esse problema por meio de três estratégias diferentes de posicionamento de mecanismo óptico:

• CPOmove a conversão óptica para o ambiente de nível de pacote do switch ASIC.

• ONGcoloca motores ópticos próximos ao ASIC, mas os mantém no PCB host.

• XPOmantém um módulo conectável no painel frontal enquanto aumenta a densidade da pista elétrica e introduz resfriamento líquido em nível de módulo.

O seu objectivo comum é reduzir as limitações criadas pela transmissão eléctrica de alta velocidade. No entanto, cada arquitetura distribui energia, calor, risco de empacotamento, conectividade de fibra e responsabilidade de manutenção de maneira diferente.

O que são CPO, NPO e XPO?

O CPO coloca mecanismos ópticos dentro do ambiente de nível de pacote do ASIC host, o NPO os monta na PCB do sistema próximo ao ASIC e o XPO mantém um módulo conectável de painel frontal de alta densidade. A principal compensação é entre alcance elétrico, integração do pacote, projeto térmico e facilidade de manutenção em campo.

OEstrutura OIF CEI-448Gdefine CPO como um dispositivo elétrico para óptico montado no pacote host. Ele define NPO como um dispositivo montado no PCB host adjacente ao silício host para minimizar traços de PCB e requisitos de sinalização elétrica.

Posicionamento do mecanismo óptico CPO vs NPO vs XPO

Descrições como “CPO em escala micrométrica”, “NPO em escala centimétrica” e “conectáveis ​​em escala decimétrica” podem ser úteis como ilustrações conceituais, mas não são limites de especificação universais. A distância física depende do design da embalagem, da placa, do conector e do chassi.

O objetivo comum: encurtar o caminho elétrico

Em um switch convencional, o ASIC está localizado na placa do sistema enquanto os transceptores ópticos são instalados no painel frontal. Sinais elétricos de alta velocidade devem viajar através de transições de pacotes, traços de PCB, vias, conectores e interface elétrica do módulo antes que a conversão óptica ocorra.

Em taxas de dados mais altas, esse canal se torna mais difícil de gerenciar. Perda dielétrica, reflexões, diafonia e descontinuidades de impedância reduzem a margem do sinal. O sistema pode compensar por meio de uma equalização mais forte do transmissor e do receptor, recuperação do relógio, reprogramação, correção de erros direta ou um módulo DSP reprogramado.

Mover o mecanismo óptico para mais perto do ASIC encurta a parte elétrica do link. Uma parte maior da distância física pode então ser coberta opticamente, em vez de através de rastreamentos de PCB de alta velocidade.

Três modelos de posicionamento de motor óptico

• CPO:a conversão óptica ocorre dentro do assembly em nível de pacote.

• OSFL:a conversão óptica ocorre no PCB host próximo ao pacote.

• XPO:a conversão óptica permanece dentro de um módulo substituível no painel frontal.

Esta decisão de posicionamento influencia a perda elétrica do sistema, distribuição de energia, estrutura de resfriamento, roteamento de fibra, processo de fabricação e estratégia de reparo.

Por que o alcance elétrico é importante em switches de alta velocidade

Como Caminhos Elétricos Mais Curtos Reduzem a Carga do Condicionamento de Sinais

A ligação elétrica entre um ASIC e um motor óptico consome parte da integridade do sinal, energia e orçamentos térmicos do sistema.

À medida que as taxas de circulação aumentam, a transmissão de PCB torna-se cada vez mais sensível a:

• Comprimento do traço

• Roteamento de escape de pacote

• Perda dielétrica da placa

• Vias e transições de conectores

• Conversa cruzada

• Perda de retorno

• Capacidade de equalização

Um canal mais longo geralmente requer mais compensação. Essa compensação consome energia e cria calor, muitas vezes em áreas onde o fluxo de ar e o espaço do painel já são limitados.

Perda, equalização e potência do canal PCB

Um módulo óptico convencional pode conter um DSP que recupera e reprograma o sinal elétrico antes da transmissão óptica. Isso cria um limite de módulo robusto, mas também adiciona energia dentro do transceptor.

Um caminho elétrico mais curto pode suportar outros arranjos de interface:

• Óptica linear, onde mais condicionamento de sinal permanece no host ASIC

• Óptica semi-retemporizada, onde apenas parte da interface é reprogramada

• Óptica totalmente reprogramada, onde o módulo fornece um limite completo de reprogramação

O design preferido depende da capacidade do host SerDes, perda de canal, requisitos de interoperabilidade, alcance óptico, limites térmicos e risco de implementação aceitável.

A questão de engenharia relevante não é, portanto, simplesmente se um DSP está presente. Isso é:

Onde estão localizadas as funções de equalização, reprogramação, recuperação de clock e FEC, e qual canal elétrico elas devem compensar?

Por que ligações elétricas mais curtas não criam automaticamente um sistema melhor

A redução do alcance elétrico melhora uma parte do projeto, mas pode complicar outras.

• Concentre calor adicional em torno da maior fonte térmica do sistema

• Aumente o tamanho do pacote e a complexidade do substrato

• Tornar os motores ópticos mais difíceis de substituir

• Associe o rendimento do mecanismo óptico ao rendimento do pacote

• Aumentar a densidade interna da fibra

• Exigir alinhamento mais preciso da fibra ao chip

• Testes complicados em nível de pacote

CPO, NPO e XPO são, portanto, formas diferentes de distribuir restrições de engenharia, em vez de eliminá-las.

Arquitetura CPO: motores ópticos dentro do pacote ASIC

Óptica Co-embaladacoloca motores ópticos dentro do ambiente de nível de pacote do switch ASIC. Em vez de encaminhar todas as faixas elétricas de alta velocidade para o painel frontal, o sistema realiza conversão óptica próximo ao ASIC e transporta os sinais em direção ao painel através de fibra.

Esta é a mais agressiva das três arquiteturas na redução do alcance elétrico.

Integração física com embalagens 2,5D e 3D

O CPO é frequentemente associado a embalagens 2,5D e 3D, mas esses termos não são intercambiáveis ​​com CPO.

• Um switch ASIC

• Vários motores ópticos

• Dispositivos fotônicos de silício

• Drivers e receptores elétricos

• Substratos de embalagem ou interpositores

• Estruturas de fixação de fibra

• Distribuidores térmicos ou placas frias

O motor óptico não precisa ser fabricado na mesma matriz semicondutora do ASIC. Chiplets eletrônicos e fotônicos separados podem ser integrados no mesmo conjunto de nível de pacote.

OEstrutura de Co-embalagem OIFdescreve conjuntos empacotados contendo ASICs soquetes ou soldados e motores ópticos ou elétricos em um substrato de alto desempenho. Ele também discute um arranjo próximo ao pacote com soquete destinado a melhorar a flexibilidade de montagem e retrabalho.

A largura de banda do CPO é específica da implementação

CPO é uma arquitetura de integração em vez de uma classe de largura de banda fixa.

OAcordo de Implementação de Módulo Co-Packaged OIF de 3,2 Tb/sdefine um bloco de construção de 3,2 Tb/s para conjuntos de switches de 51,2 Tb/s. Suas variantes ópticas incluem configurações de fibra paralela e multiplexação de comprimento de onda, enquanto o mesmo conceito mecânico também pode suportar um módulo de conexão de cobre passivo.

Este módulo 3.2T é uma implementação padronizada. Isso não significa que todo mecanismo CPO deva operar a 3,2 Tbps ou que o CPO esteja permanentemente limitado a uma faixa de largura de banda.

• Contagem de faixas elétricas

• Taxa de dados por pista

• Contagem de comprimento de onda óptico

• Formato de modulação

• Particionamento de mecanismo

• Contagem de fibras

• Topologia de pacote

Benefícios de potência e latência

A principal vantagem de potência do CPO vem do encurtamento da conexão elétrica de alta velocidade entre o ASIC e o mecanismo óptico.

• Drivers elétricos de alto giro

• Forte receber equalização

• Retemporizadores intermediários

• Processamento DSP de módulo completo

• Estágios FEC adicionais

O benefício total depende da arquitetura básica. A energia economizada na interface ASIC para óptica não deve ser apresentada automaticamente como a mesma porcentagem da energia total do switch.

• O interruptor ASIC

• Moduladores e receptores ópticos

• Fontes de laser

• Conversão de tensão

• Bombas e ventiladores de resfriamento

• Eletrônica de gerenciamento

• Hardware do plano de controle

O CPO também pode reduzir a latência da interface ao remover ou simplificar os estágios de reprogramação e processamento de sinal. Não existe um valor universal de latência de CPO porque o resultado depende se a medição abrange a interface elétrica, o mecanismo óptico, o FEC, o link óptico completo, o pipeline de switch ou a rede ponta a ponta.

Limites de capacidade de manutenção, rendimento e falha

Os módulos conectáveis ​​tradicionais criam um limite de manutenção claro. Um módulo com falha pode ser removido do painel frontal sem substituir o switch ASIC.

O CPO altera esse limite.

Um motor óptico soldado pode ser difícil de substituir após a montagem do pacote. Uma falha dentro de um pacote totalmente integrado pode, portanto, ampliar o domínio de substituição e aumentar o custo de reparo.

Isso não significa que toda falha óptica exija o descarte do ASIC. A facilidade de manutenção depende se o projeto usa:

• Motores ópticos soldados

• Motores ópticos com soquete

• Lasers externos substituíveis

• Redundância de canal

• Redundância de motor

• Retrabalho em nível de pacote

• Reparo no depósito em vez de reparo em campo

Os motores com soquete podem melhorar o retrabalho de fabricação, mas permanecem menos acessíveis que os transceptores do painel frontal. O projeto deve, portanto, considerar tanto o rendimento inicial de fabricação quanto a confiabilidade em serviço a longo prazo.

Arquitetura de pacote CPO com fonte de laser externa

Fontes externas de laser como um compromisso térmico e de manutenção

Os lasers são componentes sensíveis à temperatura. Localizá-los próximos a um ASIC de alta potência pode complicar o projeto térmico e reduzir a margem de confiabilidade disponível.

Uma arquitetura de laser externo separa a fonte de laser de onda contínua do mecanismo óptico. A energia óptica é fornecida através de fibra aos moduladores dentro do conjunto empacotado, enquanto o laser permanece em um local mais fresco e acessível.

OAcordo de Implementação OIF ELSFPdefine oLaser externo conectável de fator de forma pequenocomo uma fonte substituível em campo de luz de onda contínua para transceptores ópticos empacotados dentro de um sistema. Ele usa uma conexão eletro-óptica cega e destina-se principalmente a aplicações CPO.

• Separação do ambiente térmico do laser do pacote ASIC

• Substituição independente de uma fonte de luz com falha

• Resfriamento a laser simplificado

• Gerenciamento centralizado de energia óptica

• Potencial reutilização ou atualização de módulos laser

Ele também cria requisitos para distribuição de energia óptica, limpeza de conectores, intertravamentos de segurança, redundância e monitoramento.

ELSFP não é outro nome para XPO. O ELSFP fornece energia óptica externa para motores empacotados, enquanto o XPO define uma arquitetura óptica conectável diferente.

Arquitetura NPO: motores ópticos próximos ao ASIC, mas fora do pacote

Óptica Quase Embaladacoloca motores ópticos no PCB host próximo ao ASIC do switch, mas fora do pacote ASIC.

O NPO reduz o alcance elétrico enquanto mantém uma maior separação física entre o mecanismo óptico e o pacote host.

Arquitetura de mecanismo óptico em nível de placa NPO

Posicionamento no nível da placa e alcance elétrico intermediário

• Ao lado do ASIC

• Ao redor do perímetro da estrutura de resfriamento ASIC

• Em uma placa filha próxima

• Em uma montagem conectorizada interna

• Dentro de um soquete no nível da placa

O posicionamento exato e o método de fixação dependem da implementação.

Comparado com a óptica do painel frontal, o NPO reduz o alcance do PCB. Comparado com o CPO, os sinais elétricos ainda cruzam os limites do pacote ASIC e viajam através de parte do PCB host.

A NPO, portanto, mantém algumas restrições nos canais elétricos, evitando alguns riscos de integração no nível do pacote.

Separação Óptico-Elétrica e Reparabilidade

Como o mecanismo óptico permanece fora do pacote ASIC, o NPO pode fornecer um domínio de falha menor do que um conjunto CPO totalmente integrado.

Um mecanismo óptico com falha pode ser substituído sem substituir o switch ASIC. No entanto, isso não deve ser confundido com troca a quente do painel frontal.

• Abrindo o chassi

• Removendo um dissipador de calor ou placa fria

• Desconectando fibras internas

• Liberando um conector ou soquete interno

• Substituindo uma placa filha

• Executando retrabalho em nível de conselho

O NPO é, portanto, mais separável que o CPO, mas menos acessível que o XPO ou um módulo de painel frontal convencional.

Vantagens de embalagem e resfriamento em relação ao CPO

NPO evita colocar cada mecanismo óptico diretamente dentro do pacote host. Isso pode reduzir a pressão sobre:

• Área pacote-substrato

• Acessório óptico em nível de pacote

• Montagem de pacote

• Rendimento do pacote acoplado

• Retrabalho de pacote

Também pode fornecer maior liberdade para estabelecer caminhos térmicos separados para os motores ASIC e ópticos.

• Resfriamento de ar

• Distribuidores de calor condutivos

• Dissipadores de calor montados em placa

• Placas frias do sistema

• Resfriamento líquido no nível do chassi

A NPO ainda requer uma produção sofisticada. A placa hospedeira deve integrar links elétricos curtos de alta velocidade, motores ópticos, fibras internas, fornecimento de energia, estruturas térmicas e acesso a serviços dentro de uma área restrita.

Limites do NPO

O NPO não encurta o caminho elétrico de forma tão agressiva quanto o CPO. Portanto, pode exigir uma equalização ou reprogramação mais forte do que um mecanismo óptico em nível de pacote.

• O pacote ASIC

• Rastreamentos de PCB host

• Conectores intermediários

• Colocação do motor

• Taxa de faixa elétrica

• Projeto térmico

• Roteamento de fibra interna

O NPO não deve ser definido por uma largura de banda agregada fixa. Sua capacidade depende do número de pistas elétricas, da taxa de dados por pista, do plano de comprimento de onda óptico e do particionamento do motor.

NPO como uma arquitetura intermediária

• O alcance elétrico do painel frontal está se tornando muito difícil

• A integração total do CPO não é aceitável

• A manutenção interna do motor é possível

• Integração óptica em nível de placa está disponível

• A substituição a quente do painel frontal não é essencial

Isto não significa que a NPO deva ser temporária. Ele pode permanecer útil sempre que os projetistas de sistemas valorizam tanto o menor alcance elétrico quanto a independência parcial do motor óptico.

Arquitetura XPO: reconstruindo o modelo conectável para densidade extrema

XPO significa óptica plugável eXtra-densa. Ele mantém um limite de substituição do painel frontal enquanto aumenta a densidade da faixa elétrica e introduz refrigeração líquida no nível do módulo.

O oficialXPOMSAestá desenvolvendo um formato conectável refrigerado a líquido que suporta64 pistas elétricas de alta velocidade. O MSA está aberto a participantes interessados ​​de forma não discriminatória.

Ao contrário do CPO e do NPO, o XPO não resolve principalmente o problema da distância elétrica movendo a conversão óptica para próximo do ASIC. Ele se concentra em aumentar a densidade e a capacidade de resfriamento de um módulo substituível do painel frontal.

Módulo plugável com refrigeração líquida XPO

Capacidade de conexão do painel frontal e integração em nível de módulo

Um módulo XPO permanece acessível no painel frontal.

• Substituição independente do módulo

• Manutenção em campo

• Ciclos de vida separados do switch e da óptica

• Inventário em nível de módulo

• Seleção flexível de alcance óptico

• Isolamento de falhas mais claro

O custo é um limite de módulo maior e mais complexo. O XPO deve acomodar um grande número de pistas elétricas, fornecimento substancial de energia, conectividade óptica densa, gerenciamento de módulos, refrigeração líquida e um mecanismo confiável de inserção e ejeção.

O que 64 pistas elétricas significam para o projeto do sistema

O XPO MSA identifica atualmente uma interface elétrica de 64 vias. A capacidade óptica agregada dependerá da taxa final de sinalização por faixa, método de modulação, codificação, arquitetura de re-temporização e implementação óptica.

• Densidade do conector elétrico

• Roteamento de escape do PCB host

• Entrega de energia do módulo

• Carga térmica

• Controle e diagnóstico do módulo

• Contagem de transmissor óptico e receptor

• Mapeamento de fibra ou comprimento de onda

Até que a especificação MSA completa seja publicada, a largura de banda exata do módulo, os limites de potência, as atribuições dos conectores e as dimensões mecânicas devem ser tratados como dependentes da implementação, em vez de especificações universais do XPO.

Resfriamento Líquido Integrado

XPO coloca resfriamento líquido dentro da arquitetura de módulo conectável.

Esta é uma mudança fundamental em relação aos módulos convencionais refrigerados a ar. O sistema de refrigeração deve operar em conjunto com:

• Contatos elétricos

• Interfaces ópticas

• Retenção de módulo

• Conexões de gerenciamento

• Procedimentos de inserção e remoção

• Acesso ao serviço

O resfriamento líquido introduz requisitos adicionais de engenharia, incluindo:

• Conexões de fluido confiáveis

• Prevenção e detecção de vazamentos

• Alinhamento de companheiro cego

• Compatibilidade com refrigerante

• Controle de queda de pressão

• Força de inserção do módulo

• Procedimentos de manutenção

A interface de resfriamento torna-se parte do modelo de serviço do módulo, e não apenas parte do chassi do switch.

XPO não significa conectável a laser externo

A expansão oficial do XPO éÓptica conectável extradensa.

Um laser externo pode ser usado em uma implementação óptica específica, mas não é a característica definidora do XPO.

O termo padronizado correto para o laser externo substituível usado principalmente com CPO éELSFP, ou conectável de fator de forma pequeno a laser externo.

Benefícios de facilidade de manutenção e complexidade adicional

XPO fornece o modelo de substituição em campo mais claro entre as três arquiteturas.

Um módulo com falha pode ser removido do painel frontal sem substituir o switch ASIC ou acessar um mecanismo óptico interno.

No entanto, a capacidade de conexão refrigerada a líquido é mecanicamente mais exigente do que a substituição de módulos convencionais. Um projeto concluído pode precisar conectar e desconectar:

• Faixas elétricas de alta velocidade

• Contatos de energia

• Sinais de gestão

• Fibras ópticas

• Portas de refrigeração líquida

• Recursos de retenção mecânica

Todas as interfaces devem permanecer confiáveis ​​durante repetidos ciclos de inserção e remoção.

CPO vs NPO vs XPO: comparação de engenharia lado a lado

Localização de Integração e Distância Elétrica

O CPO fornece o caminho elétrico mais curto, colocando a conversão óptica dentro do ambiente de nível de pacote.

O NPO permite um caminho mais longo entre o pacote e um motor próximo montado na placa.

XPO mantém a conexão elétrica entre o ASIC e o módulo do painel frontal.

A distância real varia de acordo com a implementação, portanto os nomes das arquiteturas não devem ser convertidos em especificações universais de comprimento físico.

Compensações de energia, resfriamento e integridade de sinal

O CPO oferece o maior potencial para reduzir a energia da interface elétrica, mas cria a maior concentração térmica em torno do pacote ASIC.

O NPO fornece mais separação entre os mecanismos ASIC e ópticos, ao mesmo tempo que reduz o alcance do PCB.

XPO preserva a substituição do módulo, mas concentra funcionalidade e calor substanciais dentro do formato do painel frontal.

Limites de capacidade de manutenção e falha

O limite de substituição difere significativamente:

• CPO:montagem de pacote ou mecanismo óptico interno

• OSFL:motor interno, soquete ou placa filha

• XPO:módulo do painel frontal

Os engenheiros devem avaliar não apenas se um componente é tecnicamente substituível, mas também onde o reparo ocorre, quais ferramentas são necessárias e quanto do sistema deve ser retirado de serviço.

Complexidade da embalagem e propriedade da fabricação

• Embalagem de semicondutores

• Fotônica de silício

• Substratos de embalagem

• Acessório óptico

• Design térmico em nível de pacote

• Design da placa host

• Interfaces elétricas curtas

• Acessório de motor óptico interno

• Roteamento de fibra

• Resfriamento no nível da placa

• Embalagem de módulo de alta densidade

• Integração de refrigeração líquida

• Fornecimento de energia de alta corrente

• Interfaces elétricas e ópticas densas

• Mecânica do painel frontal

Como o ecossistema de manufatura muda

CPO: Embalagem Avançada e Fotônica de Silício

O CPO requer coordenação estreita entre projeto ASIC, integração fotônica, projeto de substrato, embalagem elétrica, fixação óptica, gerenciamento térmico e testes.

Vários domínios de rendimento devem ser gerenciados juntos. Um conjunto completo pode conter um switch ASIC de alto valor, vários motores ópticos, circuitos integrados fotônicos, drivers, receptores, acopladores de fibra e estruturas de resfriamento.

Testes de matrizes em boas condições, motores com soquete, lasers externos, redundância e diagnósticos em nível de pacote podem reduzir riscos, mas também acrescentam custos e complexidade.

NPO: Integração de Conselho e Alinhamento Óptico Interno

NPO mantém o mecanismo óptico fora do pacote enquanto o move dentro do switch.

As prioridades de fabricação incluem canais curtos de PCB, transições elétricas de baixa perda, conectores internos do motor, roteamento de fibra, resfriamento no nível da placa, alinhamento óptico, acesso a serviços e testabilidade do motor.

O NPO reduz algumas restrições no nível do pacote, mas cria uma placa de sistema mais especializada.

XPO: Integração de Módulos e Resfriamento Líquido

A XPO mantém o módulo óptico como um produto separado, mas os recursos necessários vão além dos conectáveis ​​convencionais.

O módulo deve combinar uma interface elétrica de alta contagem de pistas, fornecimento substancial de energia, resfriamento líquido, conectividade óptica densa, gerenciamento de módulo e facilidade de manutenção mecânica.

O desafio central é preservar um limite de módulo substituível e, ao mesmo tempo, integrar significativamente mais funcionalidades elétricas, ópticas e térmicas nesse limite.

Implicações para MPO, matrizes de fibra e acoplamento óptico em nível de chip

CPO, NPO e XPO não eliminam a necessidade de conectividade de fibra. Eles mudam onde a conexão ocorre e quais densidade, precisão e características mecânicas são necessárias.

Como CPO, NPO e XPO mudam a conectividade de fibra

XPO e conectividade multifibra de alta densidade

Uma interface elétrica conectável de 64 vias cria uma forte necessidade de roteamento óptico organizado e de alta densidade.

• Multiplexação de comprimento de onda

• Arquitetura duplex

• Modulação óptica

• Alcançar

• Mapeamento de pista

• Projeto do conector

Considerações relevantes sobre conectores e cabos incluem:

• Pegada do conector

• Polaridade da fibra

• Inserção e perda de retorno

• Acesso de limpeza

• Direção de saída do cabo

• Roteamento ao redor da estrutura de resfriamento

• Tensão mecânica durante a substituição

• Retenção do conector

As interfaces do tipo MPO são adequadas para conectividade multifibra padronizada, mas a configuração final do conector deve seguir a especificação XPO completa e a implementação óptica.

Requisitos térmicos e mecânicos em torno de módulos refrigerados a líquido

Os conjuntos de fibra próximos a um módulo refrigerado a líquido devem coexistir com portas de fluido, placas frias, contatos de energia, conectores elétricos de alta velocidade, mecanismos ejetores e estruturas de retenção do painel frontal.

• Gerenciamento de raio de curvatura

• Roteamento de cabos

• Acessibilidade do conector

• Loops de serviço

• Alívio de tensão

• Expansão térmica

• Folga mecânica

Classes de temperatura universais ou requisitos de material de revestimento não devem ser assumidos antes que as especificações finais do módulo e do sistema estejam disponíveis.

Conexões ópticas CPO e NPO Shift dentro do switch

Quando os motores ópticos se aproximam do ASIC, parte da conexão óptica anteriormente contida dentro de um transceptor do painel frontal torna-se uma interconexão óptica interna.

• Chicotes de fibra internos

• Conectores multifibra compactos

• Unidades de matriz de fibra

• Estruturas de roteamento de baixo perfil

• Tranças de motor óptico

• Conjuntos de acoplamento em nível de chip

O CPO pode exigir interfaces ópticas menores ou mais compatíveis com pacotes do que os conectores convencionais do painel frontal. A interface preferida depende do espaço disponível, contagem de fibras, orçamento de perdas, capacidade de manutenção e processo de montagem.

Matrizes de fibra, ranhuras em V e microlentes

UMmatriz de fibraposiciona múltiplas fibras em um passo controlado para que possam acoplar-se a um circuito integrado fotônico.

UMRanhura em Vestrutura localiza mecanicamente as fibras e ajuda a manter seu alinhamento relativo.

UMmatriz de microlentespode focar, colimar ou remodelar os feixes ópticos entre as fibras e o chip fotônico.

• Acoplamento de borda

• Acoplamento de grade

• Interfaces de feixe expandido

• Conexões ópticas removíveis

• Unidades de matriz de fibra permanentemente conectadas

A tolerância de alinhamento necessária e o desempenho do acoplamento dependem do modo óptico, da estrutura do guia de ondas, da geometria da lente, do material de fixação e da temperatura operacional.

Matriz de fibra, ranhura em V e acoplamento de microlentes a um chip fotônico de silício

Como escolher entre CPO, NPO e XPO

Nenhuma arquitetura é ideal para todos os switches.

Escolha por desempenho elétrico e orçamento de energia

O CPO é o candidato mais forte quando minimizar o alcance elétrico e a potência da interface é o requisito dominante.

O NPO é relevante quando o caminho elétrico precisa ser encurtado, mas a integração no nível do pacote não é aceitável.

XPO é apropriado quando a facilidade de manutenção do painel frontal e o aumento da densidade conectável são priorizados em relação à distância elétrica mínima.

Escolha por facilidade de manutenção

A XPO fornece o modelo de substituição mais direto para operadores que necessitam de inventário ótico independente e manutenção rápida no campo.

O NPO pode ser adequado quando a substituição interna do motor pode ser realizada durante a manutenção programada do chassi.

O CPO exige uma análise cuidadosa do reparo do pacote, da redundância do motor, da colocação do laser e do custo de substituição.

Escolha por prontidão para resfriamento

O CPO requer a capacidade de remover o calor dos componentes ópticos e elétricos concentrados ao redor do pacote ASIC.

NPO requer caminhos térmicos eficazes para motores ópticos internos montados em placas.

XPO requer infraestrutura de refrigeração líquida e interfaces de fluidos confiáveis ​​no limite do módulo.

Escolha por capacidade de fabricação

O CPO depende fortemente de semicondutores avançados e embalagens fotônicas.

O NPO depende do design especializado da placa, da integração interna do mecanismo óptico e do alinhamento da fibra.

XPO depende do design do módulo refrigerado a líquido, conectividade elétrica densa, fornecimento de alta potência e interfaces multifibras.

Lista de verificação de decisões de engenharia

Antes de selecionar uma arquitetura, confirme:

• Alcance elétrico ASIC para óptico necessário

• Perda máxima de canal

• Orçamento total de energia do sistema

• Arquitetura de resfriamento

• Estratégia de substituição de motor óptico

• Domínio de falha aceitável

• Capacidade de fabricação de pacotes e placas

• Espaço interno de roteamento de fibra

• Densidade do conector

• Requisitos de alinhamento óptico

• Estratégia de teste e retrabalho

• Ciclos esperados de atualização de switch e óptica

Mal-entendidos comuns sobre CPO, NPO e XPO

Eles não são três níveis de largura de banda

CPO, NPO e XPO descrevem arquiteturas de posicionamento e integração.

Sua largura de banda agregada depende da contagem de pistas, taxa de dados por pista, arquitetura de comprimento de onda, formato de modulação e geração do sistema.

Aproximar a óptica não elimina todos os problemas

O alcance elétrico mais curto pode reduzir a perda de canal e a potência de condicionamento de sinal, mas pode aumentar a complexidade do pacote, a concentração térmica, o acoplamento de rendimento e o custo de manutenção.

O caminho elétrico mais curto não é automaticamente o sistema de menor risco.

NPO não é automaticamente hot-swappable

O NPO separa o mecanismo óptico do pacote ASIC, mas o mecanismo normalmente permanece dentro do chassi.

A substituição independente não deve ser confundida com a troca a quente do painel frontal.

O CPO nem sempre exige a substituição do ASIC após uma falha óptica

O limite de falha depende se os motores ópticos são soldados, encaixados, redundantes ou reparáveis ​​de forma independente.

O CPO é menos passível de manutenção em campo do que a óptica do painel frontal, mas seu modelo exato de reparo é específico da implementação.

XPO não significa conectável a laser externo

XPO significaÓptica conectável extradensa.

ELSFP é o termo separado para umLaser externo conectável de fator de forma pequenofonte usada principalmente com sistemas ópticos co-empacotados.

CPO, NPO e óptica plugável coexistirão?

As três arquiteturas resolvem diferentes combinações de problemas, portanto a coexistência é tecnicamente plausível.

O CPO oferece o caminho elétrico mais curto e o mais alto nível de integração de pacotes.

O NPO reduz o alcance do PCB enquanto preserva uma maior separação entre o ASIC e os motores ópticos.

XPO preserva um módulo de painel frontal substituível em campo enquanto aumenta a densidade da via elétrica e a capacidade de resfriamento.

A sua adoção dependerá de mais do que largura de banda. Variáveis ​​importantes incluem:

• Potência da interface

• Potência total do sistema

• Infraestrutura de refrigeração

• Rendimento da embalagem

• Confiabilidade do motor óptico

• Requisitos de manutenção de campo

• Densidade interna da fibra

• Tecnologia de conector

• Custo de fabricação

• Escala de implantação

A CPO não deve ser tratada como um desfecho universal predeterminado. A NPO pode continuar a ser útil quando tanto a proximidade como a capacidade de manutenção interna são importantes. O XPO pode tornar-se atraente onde a refrigeração líquida estiver disponível e os operadores quiserem preservar um modelo de manutenção conectável.

O resultado provável é um conjunto mais amplo de arquiteturas ópticas combinadas com diferentes designs de switches, camadas de rede, sistemas de refrigeração e prioridades operacionais.

Perguntas frequentes

Qual é a principal diferença entre CPO, NPO e XPO?

A principal diferença é a localização do mecanismo óptico. O CPO coloca o mecanismo dentro do ambiente de nível de pacote ASIC, o NPO o coloca na PCB do sistema próximo ao ASIC e o XPO o mantém em um módulo conectável com refrigeração líquida no painel frontal.

Por que o CPO pode reduzir a potência em comparação com a óptica conectável do painel frontal?

O CPO encurta a conexão elétrica entre o ASIC e o ponto de conversão óptica. Isso pode reduzir a carga de equalização, reprogramação, potência de acionamento e processamento de sinal. O benefício total do sistema depende da interface elétrica e da linha de base de comparação.

Um mecanismo óptico CPO pode ser substituído de forma independente?

Depende do design da embalagem. Os motores com soquete podem permitir retrabalho de fabricação ou substituição especializada, enquanto os motores soldados são mais difíceis de manter. Nenhum dos dois normalmente oferece a mesma acessibilidade que um módulo do painel frontal.

O NPO pode ser trocado a quente?

Não necessariamente. Os motores NPO permanecem dentro do switch e podem exigir acesso ao chassi, remoção de componentes de resfriamento, desconexão interna da fibra ou manutenção no nível da placa.

O que significa XPO?

XPO significaÓptica conectável extradensa. O XPO MSA está desenvolvendo um formato conectável com refrigeração líquida que suporta 64 pistas elétricas de alta velocidade.

Como essas arquiteturas afetarão os conectores MPO e os conjuntos de fibra?

A XPO suporta a procura contínua de conectividade multifibra densa no painel frontal. CPO e NPO movem mais roteamento óptico dentro do switch, aumentando a importância de matrizes de fibra compactas, chicotes internos, alinhamento de ranhura em V, microlentes e interfaces ópticas compatíveis com pacotes.