CPO vs. NPO vs. XPO: architectuur, stroom, koeling en onderhoud in AI Data Center Optics

AI-clusters dwingen de switchbandbreedte, het aantal optische rijstroken, de dichtheid van het frontpaneel en het systeemvermogen tegelijkertijd te schalen. Naarmate het aantal elektrische rijstroken toeneemt, wordt de verbinding tussen een switch-ASIC en zijn optische interfaces steeds moeilijker te ontwerpen. Langere PCB-kanalen introduceren meer verlies en vereisen vaak een sterkere egalisatie, hertiming of digitale signaalverwerking.

CPO, NPO en XPO pakken dit probleem aan via drie verschillende plaatsingsstrategieën voor optische motoren:

• CPOverplaatst optische conversie naar de pakketniveau-omgeving van de switch-ASIC.

• NPOplaatst optische motoren dicht bij de ASIC maar houdt ze op de host-PCB.

• XPObehoudt een inplugbare module op het voorpaneel, terwijl de dichtheid van de elektrische rijstroken wordt verhoogd en vloeistofkoeling op moduleniveau wordt geïntroduceerd.

Hun gemeenschappelijke doel is het verminderen van de beperkingen die worden veroorzaakt door elektrische transmissie op hoge snelheid. Elke architectuur verdeelt echter de stroom, warmte, verpakkingsrisico's, glasvezelconnectiviteit en onderhoudsverantwoordelijkheid anders.

Wat zijn CPO, NPO en XPO?

CPO plaatst optische motoren binnen de pakketniveau-omgeving van de host-ASIC, NPO monteert ze op de systeem-PCB dicht bij de ASIC, en XPO behoudt een inplugbare module op het voorpaneel met hoge dichtheid. De belangrijkste afweging is tussen elektrisch bereik, pakketintegratie, thermisch ontwerp en onderhoudsgemak.

DeOIF CEI-448G-frameworkdefinieert CPO als een elektrisch-naar-optisch apparaat dat op het hostpakket is gemonteerd. Het definieert NPO als een apparaat dat op de host-PCB is gemonteerd, grenzend aan het host-silicium, om PCB-sporen en elektrische signaalvereisten te minimaliseren.

CPO versus NPO versus XPO Plaatsing van optische motoren

Beschrijvingen als ‘CPO op micrometerschaal’, ‘NPO op centimeterschaal’ en ‘pluggables op decimeterschaal’ kunnen nuttig zijn als conceptuele illustraties, maar het zijn geen universele specificatielimieten. De fysieke afstand is afhankelijk van het pakket, het bord, de connector en het chassisontwerp.

Het gedeelde doel: het elektrische pad verkorten

Bij een conventionele schakelaar bevindt de ASIC zich op het moederbord, terwijl optische transceivers op het voorpaneel zijn geïnstalleerd. Elektrische signalen met hoge snelheid moeten door pakketovergangen, PCB-sporen, via's, connectoren en de elektrische interface van de module reizen voordat optische conversie plaatsvindt.

Bij hogere datasnelheden wordt dit kanaal moeilijker te beheren. Diëlektrisch verlies, reflecties, overspraak en discontinuïteiten in de impedantie verminderen de signaalmarge. Het systeem kan compenseren door een sterkere egalisatie van zender en ontvanger, klokherstel, hertiming, voorwaartse foutcorrectie of een opnieuw getimede module DSP.

Door de optische engine dichter bij de ASIC te plaatsen, wordt het elektrische gedeelte van de link korter. Een groter deel van de fysieke afstand kan dan optisch worden overbrugd in plaats van via snelle PCB-sporen.

Drie modellen voor plaatsing van optische motoren

• CPO:optische conversie vindt plaats binnen de assemblage op pakketniveau.

• NPO:optische conversie vindt plaats op de host-PCB in de buurt van de verpakking.

• XPO:optische conversie blijft binnen een vervangbare frontpaneelmodule.

Deze plaatsingsbeslissing heeft invloed op het elektrische verlies, de stroomverdeling, de koelstructuur, de vezelroutering, het productieproces en de reparatiestrategie van het systeem.

Waarom elektrisch bereik belangrijk is bij hogesnelheidsschakelaars

Hoe kortere elektrische paden de signaalconditioneringslast verminderen

De elektrische verbinding tussen een ASIC en een optische engine verbruikt een deel van de signaalintegriteit, het vermogen en het thermische budget van het systeem.

Naarmate het aantal rijstroken stijgt, wordt PCB-transmissie steeds gevoeliger voor:

• Traceer lengte

• Vluchtroutering voor pakketten

• Diëlektrisch verlies van bord

• Via's en connectorovergangen

• Overspraak

• Terug verlies

• Egalisatievermogen

Een langer kanaal vereist doorgaans meer compensatie. Die compensatie verbruikt stroom en creëert warmte, vaak in gebieden waar de luchtstroom en paneelruimte al beperkt zijn.

PCB-kanaalverlies, egalisatie en vermogen

Een conventionele optische module kan een DSP bevatten die het elektrische signaal vóór optische transmissie herstelt en opnieuw timet. Dit creëert een robuuste modulegrens, maar voegt ook stroom toe binnen de transceiver.

Een korter elektrisch pad kan andere interface-opstellingen ondersteunen:

• Lineaire optiek, waar er meer signaalconditionering overblijft in de host-ASIC

• Half-geretimede optiek, waarbij slechts een deel van de interface opnieuw wordt getimed

• Volledig opnieuw getimede optiek, waarbij de module een volledige retiminggrens biedt

Het voorkeursontwerp hangt af van de SerDes-mogelijkheden van de host, kanaalverlies, interoperabiliteitsvereisten, optisch bereik, thermische limieten en acceptabel implementatierisico.

De relevante technische vraag is daarom niet alleen of er een DSP aanwezig is. Het is:

Waar bevinden zich de egalisatie-, retiming-, klokherstel- en FEC-functies, en welk elektrisch kanaal moeten ze compenseren?

Waarom kortere elektrische verbindingen niet automatisch voor een beter systeem zorgen

Het verkleinen van het elektrische bereik verbetert één deel van het ontwerp, maar kan andere compliceren.

• Concentreer extra warmte rond de grootste thermische bron van het systeem

• Vergroot de verpakkingsgrootte en de complexiteit van het substraat

• Maak optische motoren moeilijker te vervangen

• Koppel de opbrengst van de optische engine aan de opbrengst van het pakket

• Verhoog de interne vezeldichtheid

• Vereist een nauwkeurigere uitlijning van vezel naar chip

• Maak het testen op pakketniveau ingewikkelder

CPO, NPO en XPO zijn daarom verschillende manieren om technische beperkingen te verdelen in plaats van ze te elimineren.

CPO-architectuur: optische motoren in het ASIC-pakket

Samenverpakte opticaplaatst optische motoren binnen de pakketniveau-omgeving van de switch-ASIC. In plaats van elke snelle elektrische rijstrook naar het voorpaneel te leiden, voert het systeem optische conversie uit dichtbij de ASIC en transporteert de signalen via glasvezel naar het paneel.

Dit is de meest agressieve van de drie architecturen wat betreft het verminderen van het elektrische bereik.

Fysieke integratie met 2,5D- en 3D-verpakkingen

CPO wordt vaak geassocieerd met 2,5D- en 3D-verpakkingen, maar deze termen zijn niet uitwisselbaar met CPO.

• Een schakel-ASIC

• Meerdere optische motoren

• Silicium-fotonica-apparaten

• Elektrische drivers en ontvangers

• Verpak substraten of interposers

• Vezelbevestigingsstructuren

• Thermische verspreiders of koude platen

De optische engine hoeft niet op dezelfde halfgeleiderchip te worden vervaardigd als de ASIC. Afzonderlijke elektronische en fotonische chiplets kunnen worden geïntegreerd binnen hetzelfde samenstel op pakketniveau.

DeOIF Co-Packaging-frameworkbeschrijft co-packaged assemblages met socketed of gesoldeerde ASIC's en optische of elektrische motoren op een hoogwaardig substraat. Het bespreekt ook een bijna-pakketopstelling met contactdoos, bedoeld om de flexibiliteit bij montage en herbewerking te verbeteren.

CPO-bandbreedte is implementatiespecifiek

CPO is een integratiearchitectuur in plaats van een klasse met vaste bandbreedte.

DeOIF 3,2 Tb/s gebundelde module-implementatieovereenkomstdefinieert een bouwsteen van 3,2 Tb/s voor schakelsamenstellen van 51,2 Tb/s. De optische varianten omvatten configuraties met parallelle vezels en golflengte-multiplex, terwijl hetzelfde mechanische concept ook een passieve koperen bevestigingsmodule kan ondersteunen.

Deze 3.2T-module is één gestandaardiseerde implementatie. Het betekent niet dat elke CPO-engine op 3,2 Tbps moet werken of dat CPO permanent beperkt is tot één bandbreedtebereik.

• Aantal elektrische rijstroken

• Datasnelheid per rijstrook

• Aantal optische golflengten

• Modulatie formaat

• Motorpartitionering

• Vezeltelling

• Pakkettopologie

Voordelen van kracht en latentie

Het belangrijkste CPO-vermogensvoordeel komt voort uit het verkorten van de snelle elektrische verbinding tussen de ASIC en de optische engine.

• Elektrische drivers met hoge swing

• Sterke ontvangst-egalisatie

• Tussentijdse retimers

• Volledige module DSP-verwerking

• Extra FEC-fasen

Het totale voordeel is afhankelijk van de basisarchitectuur. Het bespaarde vermogen via de ASIC-naar-optica-interface mag niet automatisch worden weergegeven als hetzelfde percentage van het totale schakelvermogen.

• De schakelaar-ASIC

• Optische modulatoren en ontvangers

• Laserbronnen

• Omzetting van spanning

• Koelpompen en ventilatoren

• Beheer elektronica

• Hardware voor besturingsvlak

CPO kan ook de latentie van de interface verminderen door de hertiming- en signaalverwerkingsfasen te verwijderen of te vereenvoudigen. Er is geen universeel CPO-latentiecijfer omdat het resultaat afhangt van de vraag of de meting de elektrische interface, de optische engine, FEC, de volledige optische link, de switchpijplijn of het end-to-end-netwerk omvat.

Grenzen van bruikbaarheid, opbrengst en mislukking

Traditionele inplugbare modules creëren een duidelijke onderhoudsgrens. Een defecte module kan van het voorpaneel worden verwijderd zonder de ASIC-schakelaar te vervangen.

CPO verlegt die grens.

Een gesoldeerde optische engine kan moeilijk te vervangen zijn na montage van de verpakking. Een storing binnen een nauw geïntegreerd pakket kan daarom het vervangingsdomein vergroten en de reparatiekosten verhogen.

Dit betekent niet dat voor elke optische storing de ASIC moet worden weggegooid. De bruikbaarheid hangt af van de vraag of het ontwerp gebruik maakt van:

• Gesoldeerde optische motoren

• Optische motoren met sockets

• Vervangbare externe lasers

• Kanaalredundantie

• Redundantie van de motor

• Herbewerking op pakketniveau

• Depotreparatie in plaats van veldreparatie

Socketmotoren kunnen de herbewerking van de productie verbeteren, maar ze blijven minder toegankelijk dan transceivers op het voorpaneel. Bij het ontwerp moet daarom rekening worden gehouden met zowel het initiële productierendement als de betrouwbaarheid op de lange termijn.

CPO-pakketarchitectuur met externe laserbron

Externe laserbronnen als thermisch en onderhoudscompromis

Lasers zijn temperatuurgevoelige componenten. Het plaatsen ervan naast een ASIC met hoog vermogen kan het thermische ontwerp compliceren en de beschikbare betrouwbaarheidsmarge verkleinen.

Een externe laserarchitectuur scheidt de continue golflaserbron van de optische motor. Optisch vermogen wordt via glasvezel geleverd aan modulators in de samenverpakte assemblage, terwijl de laser op een koelere en beter toegankelijke locatie blijft.

DeOIF ELSFP-implementatieovereenkomstdefinieert deExterne laser met kleine vormfactor, insteekbaarals een in het veld vervangbare bron van continu golflicht voor optische zendontvangers die samen in een systeem zijn verpakt. Het maakt gebruik van een blinde elektro-optische verbinding en is voornamelijk bedoeld voor CPO-toepassingen.

• Scheiding van de thermische laseromgeving van het ASIC-pakket

• Onafhankelijke vervanging van een defecte lichtbron

• Vereenvoudigde laserkoeling

• Gecentraliseerd beheer van optische energie

• Mogelijk hergebruik of upgrade van lasermodules

Het creëert ook eisen voor de distributie van optische energie, de netheid van connectoren, veiligheidsvergrendelingen, redundantie en monitoring.

ELSFP is geen andere naam voor XPO. ELSFP levert externe optische stroom aan co-package-engines, terwijl XPO een andere inplugbare optische architectuur definieert.

NPO-architectuur: optische motoren dichtbij de ASIC maar buiten het pakket

Bijna-verpakte opticaplaatst optische motoren op de host-PCB dicht bij de switch-ASIC maar buiten het ASIC-pakket.

NPO verkort het elektrische bereik terwijl een grotere fysieke scheiding tussen de optische engine en het hostpakket behouden blijft.

NPO-architectuur voor optische engine op bordniveau

Plaatsing op bordniveau en gemiddeld elektrisch bereik

• Naast de ASIC

• Rond de omtrek van de ASIC-koelstructuur

• Op een nabijgelegen dochterbord

• In een interne connectorconstructie

• Binnen een socket op bordniveau

De exacte plaatsing en bevestigingsmethode zijn implementatieafhankelijk.

Vergeleken met frontpaneeloptiek vermindert NPO het PCB-bereik. Vergeleken met CPO overschrijden elektrische signalen nog steeds de ASIC-pakketgrens en reizen ze over een deel van de host-PCB.

NPO handhaaft daarom enkele beperkingen op het gebied van elektriciteitskanalen, terwijl een aantal integratierisico's op pakketniveau worden vermeden.

Optisch-elektrische scheiding en repareerbaarheid

Omdat de optische engine buiten het ASIC-pakket blijft, kan NPO een kleiner storingsdomein bieden dan een strak geïntegreerde CPO-assemblage.

Een defecte optische engine kan mogelijk worden vervangen zonder de ASIC van de schakelaar te vervangen. Dit moet echter niet worden verward met hot-swapping op het voorpaneel.

• Het chassis openen

• Een koellichaam of koude plaat verwijderen

• Het loskoppelen van interne vezels

• Een interne connector of stopcontact vrijgeven

• Een dochterbord vervangen

• Herwerken op bordniveau uitvoeren

NPO is daarom beter scheidbaar dan CPO, maar minder toegankelijk dan XPO of een conventionele frontpaneelmodule.

Verpakkings- en koelingsvoordelen ten opzichte van CPO

NPO vermijdt dat elke optische engine rechtstreeks in het hostpakket wordt geplaatst. Dit kan de druk verminderen op:

• Pakket-substraatgebied

• Optische bevestiging op pakketniveau

• Pakket montage

• Gekoppelde pakketopbrengst

• Pakket herwerken

Het kan ook een grotere vrijheid bieden om afzonderlijke thermische paden tot stand te brengen voor de ASIC en optische motoren.

• Luchtkoeling

• Geleidende warmteverspreiders

• Op het bord gemonteerde koellichamen

• Systeem koude platen

• Vloeistofkoeling op chassisniveau

NPO vereist nog steeds geavanceerde productie. Het hostbord moet korte elektrische verbindingen met hoge snelheid, optische motoren, interne vezels, stroomvoorziening, thermische structuren en servicetoegang binnen een beperkt gebied integreren.

Grenzen van NPO

NPO verkort het elektrische pad niet zo agressief als CPO. Het kan daarom een ​​sterkere egalisatie of hertiming vereisen dan een optische engine op pakketniveau.

• Het ASIC-pakket

• Host-PCB-sporen

• Tussenliggende connectoren

• Motor plaatsing

• Tarief voor elektrische rijstroken

• Thermisch ontwerp

• Interne glasvezelroutering

NPO mag niet worden gedefinieerd door een vaste geaggregeerde bandbreedte. De capaciteit is afhankelijk van het aantal elektrische rijstroken, de datasnelheid per rijstrook, het optische golflengteplan en de motorpartitionering.

NPO als Tussenarchitectuur

• Elektrisch bereik op het voorpaneel wordt te moeilijk

• Volledige CPO-integratie is niet acceptabel

• Intern motoronderhoud is mogelijk

• Optische integratie op bordniveau is beschikbaar

• Hete vervanging van het voorpaneel is niet essentieel

Dit betekent niet dat NPO tijdelijk moet zijn. Het kan nuttig blijven overal waar systeemontwerpers waarde hechten aan zowel een korter elektrisch bereik als een gedeeltelijke onafhankelijkheid van de optische motor.

XPO-architectuur: het plug-able model opnieuw opbouwen voor extreme dichtheid

XPO staat voor eXtra-dense Pluggable Optics. Het behoudt een vervangingsgrens op het voorpaneel, terwijl de dichtheid van de elektrische rijstroken wordt verhoogd en vloeistofkoeling op moduleniveau wordt geïntroduceerd.

De ambtenaarXPO MSAontwikkelt een vloeistofgekoelde inplugbare vormfactor die ondersteuning biedt64 snelle elektrische rijstroken. De MSA staat op niet-discriminerende basis open voor geïnteresseerde deelnemers.

In tegenstelling tot CPO en NPO lost XPO niet in de eerste plaats het probleem van de elektrische afstand op door optische conversie naast de ASIC te verplaatsen. Het richt zich op het vergroten van de dichtheid en het koelvermogen van een vervangbare frontpaneelmodule.

XPO vloeistofgekoelde inplugbare module

Pluggability op het frontpaneel en integratie op moduleniveau

Een XPO-module blijft toegankelijk vanaf het voorpaneel.

• Onafhankelijke modulevervanging

• Onderhoud op locatie

• Afzonderlijke levenscycli van schakelaars en optica

• Inventarisatie op moduleniveau

• Flexibele optische bereikselectie

• Duidelijkere foutisolatie

De kosten zijn een grotere en complexere modulegrens. XPO moet ruimte bieden aan een groot aantal elektrische rijstroken, een substantiële stroomafgifte, compacte optische connectiviteit, modulebeheer, vloeistofkoeling en een betrouwbaar inbreng- en uitwerpmechanisme.

Wat 64 elektrische rijstroken betekenen voor het systeemontwerp

De XPO MSA identificeert momenteel een elektrische interface met 64 rijstroken. De totale optische capaciteit zal afhangen van de uiteindelijke signaleringssnelheid per rijstrook, de modulatiemethode, de codering, de hertimingarchitectuur en de optische implementatie.

• Dichtheid van elektrische connectoren

• Ontsnappingsroutering van host-PCB

• Vermogensafgifte van de module

• Thermische belasting

• Modulebesturing en diagnostiek

• Optische zender en ontvanger tellen

• Vezel- of golflengte-mapping

Totdat de volledige MSA-specificatie is gepubliceerd, moeten de exacte modulebandbreedte, vermogenslimieten, connectortoewijzingen en mechanische afmetingen worden behandeld als implementatieafhankelijk in plaats van als universele XPO-specificaties.

Geïntegreerde vloeistofkoeling

XPO plaatst vloeistofkoeling in de insteekbare module-architectuur.

Dit is een fundamentele verandering ten opzichte van conventionele luchtgekoelde modules. Het koelsysteem moet samenwerken met:

• Elektrische contacten

• Optische interfaces

• Modulebehoud

• Beheerverbindingen

• Procedures voor inbrengen en verwijderen

• Toegang tot diensten

Vloeistofkoeling introduceert aanvullende technische vereisten, waaronder:

• Betrouwbare vloeistofverbindingen

• Lekpreventie en -detectie

• Blinde maat uitlijning

• Compatibiliteit met koelmiddelen

• Controle van drukval

• Module-insteekkracht

• Onderhoudsprocedures

De koelinterface wordt onderdeel van het moduleservicemodel in plaats van slechts een deel van het schakelaarchassis.

XPO betekent niet dat een externe laser kan worden aangesloten

De officiële uitbreiding van XPO iseXtra-dichte insteekbare optica.

In een bepaalde optische implementatie kan een externe laser worden gebruikt, maar dit is niet het bepalende kenmerk van XPO.

De juiste gestandaardiseerde term voor de vervangbare externe laser die voornamelijk bij CPO wordt gebruikt, isELSFP, of externe laser-plug-in met kleine vormfactor.

Onderhoudsvoordelen en extra complexiteit

XPO biedt het duidelijkste veldvervangingsmodel van de drie architecturen.

Een defecte module kan van het voorpaneel worden verwijderd zonder de ASIC-schakelaar te vervangen of toegang te krijgen tot een interne optische engine.

De vloeistofgekoelde pluggability is echter mechanisch veeleisender dan conventionele modulevervanging. Een voltooid ontwerp moet mogelijk verbinding maken en loskoppelen:

• Elektrische rijstroken met hoge snelheid

• Stroomcontacten

• Management signalen

• Optische vezels

• Vloeistofkoelingpoorten

• Mechanische retentiefuncties

Alle interfaces moeten betrouwbaar blijven tijdens herhaalde inbreng- en verwijderingscycli.

CPO versus NPO versus XPO: technische vergelijking naast elkaar

Integratielocatie en elektrische afstand

CPO biedt het kortste elektrische pad door optische conversie binnen de omgeving op pakketniveau te plaatsen.

NPO maakt een langer pad mogelijk tussen het pakket en een nabijgelegen op het bord gemonteerde motor.

XPO behoudt de elektrische verbinding tussen de ASIC en de frontpaneelmodule.

De werkelijke afstand varieert per implementatie, dus architectuurnamen mogen niet worden omgezet in universele fysieke lengtespecificaties.

Afwegingen tussen voeding, koeling en signaalintegriteit

CPO biedt het sterkste potentieel om het vermogen van de elektrische interface te verminderen, maar creëert de hoogste thermische concentratie rond het ASIC-pakket.

NPO zorgt voor meer scheiding tussen de ASIC en optische motoren, terwijl het PCB-bereik nog steeds wordt verkleind.

XPO behoudt de vervanging van modules, maar concentreert substantiële functionaliteit en warmte in de vormfactor van het voorpaneel.

Onderhouds- en faalgrenzen

De vervangingsgrens verschilt aanzienlijk:

• CPO:pakketassemblage of interne optische motor

• NPO:interne motor, socket of dochterbord

• XPO:frontpaneelmodule

Ingenieurs moeten niet alleen beoordelen of een onderdeel technisch vervangbaar is, maar ook waar de reparatie plaatsvindt, welk gereedschap nodig is en hoeveel van het systeem buiten gebruik moet worden gesteld.

Verpakkingscomplexiteit en productie-eigendom

• Halfgeleider verpakking

• Silicium fotonica

• Verpak substraten

• Optische bevestiging

• Thermisch ontwerp op pakketniveau

• Hostboard-ontwerp

• Korte elektrische interfaces

• Interne optische motorbevestiging

• Vezelroutering

• Koeling op boardniveau

• Moduleverpakking met hoge dichtheid

• Integratie van vloeistofkoeling

• Vermogensafgifte met hoge stroomsterkte

• Dichte elektrische en optische interfaces

• Mechaniek op het voorpaneel

Hoe het productie-ecosysteem verandert

CPO: Geavanceerde verpakkingen en siliciumfotonica

CPO vereist nauwe coördinatie tussen ASIC-ontwerp, fotonische integratie, substraatontwerp, elektrische verpakking, optische bevestiging, thermisch beheer en testen.

Meerdere rendementsdomeinen moeten samen worden beheerd. Een voltooide assemblage kan een hoogwaardige schakel-ASIC, verschillende optische motoren, fotonische geïntegreerde schakelingen, stuurprogramma's, ontvangers, vezelkoppelingen en koelstructuren bevatten.

Bekende 'good-die'-tests, motoren met sockets, externe lasers, redundantie en diagnostiek op pakketniveau kunnen het risico verminderen, maar ze verhogen ook de kosten en complexiteit.

NPO: Bordintegratie en interne optische uitlijning

NPO houdt de optische engine buiten de verpakking terwijl deze in de schakelaar wordt verplaatst.

Productieprioriteiten omvatten korte PCB-kanalen, elektrische overgangen met laag verlies, interne motorconnectoren, vezelroutering, koeling op bordniveau, optische uitlijning, servicetoegang en testbaarheid van de motor.

NPO vermindert een aantal beperkingen op pakketniveau, maar creëert een meer gespecialiseerd moederbord.

XPO: Module-integratie en vloeistofkoeling

XPO behoudt de optische module als een afzonderlijk product, maar de vereiste mogelijkheden gaan verder dan conventionele pluggables.

De module moet een elektrische interface met een groot aantal rijstroken, een substantiële vermogensafgifte, vloeistofkoeling, compacte optische connectiviteit, modulebeheer en mechanisch onderhoud combineren.

De centrale uitdaging is om een ​​vervangbare modulegrens te behouden en tegelijkertijd aanzienlijk meer elektrische, optische en thermische functionaliteit in die grens te integreren.

Implicaties voor MPO, Fiber Arrays en optische koppeling op chipniveau

CPO, NPO en XPO elimineren de behoefte aan glasvezelconnectiviteit niet. Ze veranderen waar de verbinding plaatsvindt en welke dichtheid, precisie en mechanische eigenschappen vereist zijn.

Hoe CPO, NPO en XPO de glasvezelconnectiviteit veranderen

XPO en multi-vezelconnectiviteit met hoge dichtheid

Een insteekbare elektrische interface met 64 rijstroken creëert een sterke behoefte aan georganiseerde optische routing met hoge dichtheid.

• Golflengtemultiplexing

• Duplex-architectuur

• Optische modulatie

• Bereik

• Rijstrook in kaart brengen

• Connectorontwerp

Relevante connector- en kabeloverwegingen zijn onder meer:

• Voetafdruk van de connector

• Vezelpolariteit

• Insteek- en retourverlies

• Toegang tot schoonmaken

• Richting kabeluitgang

• Routering rond de koelstructuur

• Mechanische belasting tijdens vervanging

• Retentie van connectoren

MPO-type interfaces zijn zeer geschikt voor gestandaardiseerde multi-vezelconnectiviteit, maar de uiteindelijke connectorconfiguratie moet de voltooide XPO-specificatie en de optische implementatie volgen.

Thermische en mechanische vereisten rond vloeistofgekoelde modules

Vezelassemblages in de buurt van een vloeistofgekoelde module moeten naast vloeistofpoorten, koude platen, stroomcontacten, snelle elektrische connectoren, uitwerpmechanismen en retentiestructuren op het voorpaneel bestaan.

• Buigradiusbeheer

• Kabelgeleiding

• Toegankelijkheid van connectoren

• Servicelussen

• Trekontlasting

• Thermische uitzetting

• Mechanische speling

Er mag niet worden uitgegaan van universele temperatuurklassen of vereisten voor mantelmateriaal voordat de definitieve module- en systeemspecificaties beschikbaar zijn.

CPO en NPO verschuiven optische verbindingen in de switch

Wanneer optische motoren dichter bij de ASIC komen, wordt een deel van de optische verbinding die voorheen in een transceiver op het voorpaneel zat, een interne optische verbinding.

• Interne vezelharnassen

• Compacte multivezelconnectoren

• Fiber-array-eenheden

• Onopvallende routeringsstructuren

• Pigtails met optische motor

• Koppelingsassemblages op chipniveau

CPO vereist mogelijk kleinere of meer pakket-compatibele optische interfaces dan conventionele frontpaneelconnectoren. De voorkeursinterface hangt af van de beschikbare ruimte, het aantal vezels, het verliesbudget, het onderhoudsgemak en het assemblageproces.

Vezelarrays, V-groeven en microlenzen

Avezel arraypositioneert meerdere vezels op een gecontroleerde afstand, zodat ze kunnen worden gekoppeld aan een fotonisch geïntegreerd circuit.

AV-groefstructuur lokaliseert mechanisch de vezels en helpt hun relatieve uitlijning te behouden.

Amicrolens-arraykan optische bundels tussen de vezels en de fotonische chip focusseren, collimeren of hervormen.

• Randkoppeling

• Roosterkoppeling

• Uitgebreide straalinterfaces

• Verwijderbare optische aansluitingen

• Permanent bevestigde fiber-array-eenheden

De vereiste uitlijningstolerantie en koppelingsprestaties zijn afhankelijk van de optische modus, de golfgeleiderstructuur, de lensgeometrie, het bevestigingsmateriaal en de bedrijfstemperatuur.

Fiber Array, V-Groove en Microlens-koppeling aan een silicium-fotonica-chip

Hoe u kunt kiezen tussen CPO, NPO en XPO

Geen enkele architectuur is optimaal voor elke switch.

Kies op basis van elektrische prestaties en energiebudget

CPO is de sterkste kandidaat als het minimaliseren van elektrisch bereik en interfacevermogen de dominante vereiste is.

NPO is relevant wanneer het elektrische pad moet worden ingekort, maar integratie op pakketniveau niet acceptabel is.

XPO is geschikt wanneer het onderhoud van het frontpaneel en de grotere aansluitdichtheid prioriteit krijgen boven de minimale elektrische afstand.

Kies op onderhoudsgemak

XPO biedt het meest directe vervangingsmodel voor operators die onafhankelijke optiekinventarisatie en snelle service ter plaatse nodig hebben.

NPO kan geschikt zijn wanneer interne motorvervanging kan worden uitgevoerd tijdens gepland chassisonderhoud.

CPO vereist een zorgvuldige analyse van pakketreparatie, motorredundantie, laserplaatsing en vervangingskosten.

Kies op Koelgereedheid

CPO vereist de mogelijkheid om warmte te verwijderen van optische en elektrische componenten die geconcentreerd zijn rond het ASIC-pakket.

NPO vereist effectieve thermische paden voor interne op het bord gemonteerde optische motoren.

XPO vereist een vloeistofkoelinginfrastructuur en betrouwbare vloeistofinterfaces aan de modulegrens.

Kies op productiecapaciteit

CPO is sterk afhankelijk van geavanceerde halfgeleider- en fotonische verpakkingen.

NPO is afhankelijk van gespecialiseerd bordontwerp, interne optische engine-integratie en vezeluitlijning.

XPO is afhankelijk van vloeistofgekoeld moduleontwerp, dichte elektrische connectiviteit, hoge vermogensafgifte en multi-vezelinterfaces.

Controlelijst voor technische beslissingen

Bevestig het volgende voordat u een architectuur selecteert:

• Vereist elektrisch bereik van ASIC naar optiek

• Maximaal kanaalverlies

• Totaal budget voor systeemvermogen

• Verkoelende architectuur

• Vervangingsstrategie voor optische motoren

• Acceptabel foutdomein

• Productiecapaciteit voor verpakkingen en karton

• Interne vezelrouteringsruimte

• Connectordichtheid

• Vereisten voor optische uitlijning

• Test- en herwerkstrategie

• Verwachte upgradecycli van schakelaars en optica

Veelvoorkomende misverstanden over CPO, NPO en XPO

Het zijn geen drie bandbreedteniveaus

CPO, NPO en XPO beschrijven plaatsings- en integratiearchitecturen.

Hun totale bandbreedte hangt af van het aantal rijstroken, de datasnelheid per baan, de golflengtearchitectuur, het modulatieformaat en de systeemgeneratie.

Door de optiek dichterbij te brengen, worden niet alle problemen opgelost

Een korter elektrisch bereik kan kanaalverlies en signaalconditioneringsvermogen verminderen, maar het kan de complexiteit van het pakket, de thermische concentratie, de opbrengstkoppeling en de onderhoudskosten verhogen.

Het kortste elektrische pad is niet automatisch het systeem met het laagste risico.

NPO is niet automatisch hot-swappable

NPO scheidt de optische engine van het ASIC-pakket, maar de motor blijft normaal gesproken in het chassis.

Onafhankelijke vervanging mag niet worden verward met hot-swapping op het voorpaneel.

CPO vereist niet altijd vervanging van de ASIC na een optische storing

De storingsgrens hangt af van het feit of optische motoren zijn gesoldeerd, voorzien van een socket, redundant zijn of onafhankelijk kunnen worden gerepareerd.

CPO is minder onderhoudsvriendelijk dan frontpaneeloptiek, maar het exacte reparatiemodel is implementatiespecifiek.

XPO betekent niet dat een externe laser kan worden aangesloten

XPO betekenteXtra-dichte insteekbare optica.

ELSFP is de aparte term voor eenExterne laser met kleine vormfactor, insteekbaarbron die voornamelijk wordt gebruikt met samenverpakte optische systemen.

Zullen CPO, NPO en plug-in optica naast elkaar bestaan?

De drie architecturen lossen verschillende combinaties van problemen op, dus co-existentie is technisch plausibel.

CPO biedt het kortste elektrische pad en het hoogste pakketintegratieniveau.

NPO verkleint het PCB-bereik terwijl een grotere scheiding tussen de ASIC en optische motoren behouden blijft.

XPO behoudt een ter plaatse vervangbare frontpaneelmodule terwijl de dichtheid van de elektrische rijstroken en het koelvermogen worden vergroot.

Hun adoptie zal afhangen van meer dan alleen bandbreedte. Belangrijke variabelen zijn onder meer:

• Interface-vermogen

• Totaal systeemvermogen

• Koelinfrastructuur

• Verpakkingsrendement

• Betrouwbaarheid van optische motoren

• Vereisten voor veldonderhoud

• Interne vezeldichtheid

• Connector-technologie

• Productiekosten

• Implementatieschaal

CPO mag niet worden behandeld als een vooraf bepaald universeel eindpunt. NPO kan nuttig blijven als zowel nabijheid als interne bruikbaarheid van belang zijn. XPO kan aantrekkelijk worden als vloeistofkoeling beschikbaar is en operators een plug-in onderhoudsmodel willen behouden.

Het waarschijnlijke resultaat is een bredere reeks optische architecturen, afgestemd op verschillende switchontwerpen, netwerklagen, koelsystemen en operationele prioriteiten.

Veelgestelde vragen

Wat is het belangrijkste verschil tussen CPO, NPO en XPO?

Het belangrijkste verschil is de locatie van de optische motor. CPO plaatst de motor in de ASIC-omgeving op pakketniveau, NPO plaatst hem op de systeem-PCB in de buurt van de ASIC, en XPO bewaart hem in een vloeistofgekoelde inplugbare module op het voorpaneel.

Waarom kan CPO het stroomverbruik verminderen vergeleken met insteekbare optica op het voorpaneel?

CPO verkort de elektrische verbinding tussen de ASIC en het optische conversiepunt. Dit kan de egalisatie-, hertiming-, aandrijfkracht- en signaalverwerkingslast verminderen. Het totale systeemvoordeel is afhankelijk van de elektrische interface en de vergelijkingsbasislijn.

Kan een optische CPO-engine onafhankelijk worden vervangen?

Het hangt af van het pakketontwerp. Motoren met sockets kunnen fabricageherwerking of gespecialiseerde vervanging mogelijk maken, terwijl gesoldeerde motoren moeilijker te onderhouden zijn. Normaal gesproken bieden geen van beide dezelfde toegankelijkheid als een frontpaneelmodule.

Is NPO hot-swappable?

Niet noodzakelijkerwijs. NPO-motoren blijven in de switch en vereisen mogelijk toegang tot het chassis, verwijdering van koelcomponenten, ontkoppeling van de interne glasvezel of onderhoud op bordniveau.

Wat betekent XPO?

XPO betekenteXtra-dichte insteekbare optica. De XPO MSA ontwikkelt een vloeistofgekoelde inplugbare vormfactor die 64 snelle elektrische rijstroken ondersteunt.

Welke invloed hebben deze architecturen op MPO-connectoren en glasvezelarrays?

XPO ondersteunt de aanhoudende vraag naar multi-glasvezelconnectiviteit met hoge dichtheid op het frontpaneel. CPO en NPO verplaatsen meer optische routing binnen de switch, waardoor het belang van compacte vezelarrays, interne kabelbomen, uitlijning van V-groeven, microlenzen en pakketcompatibele optische interfaces toeneemt.