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随着数据中心对能源效率和数据传输性能的需求不断增长，线性可插拔光学器件（Linear Pluggable Optics, LPO）作为一种新兴技术，正逐渐受到行业关注。

LPO通过将数字信号处理（DSP）功能从传统的可插拔光学模块移至机架顶部（Top-of-Rack, ToR）交换机，显著降低了功耗，同时维持了高速数据传输的能力。

与共封装光学器件（Co-Packaged Optics, CPO）相比，LPO在节能幅度上略逊一筹，但其实现难度更低，且能有效缓解热效应导致的光信号漂移问题。LPO的广泛应用受限于互操作性挑战。

为解决这一问题，光互联网络论坛（Optical Internetworking Forum, OIF）正在制定电气标准，以提升LPO模块的兼容性，推动其商业化落地。

本文将深入分析LPO的技术原理、在数据中心节能中的作用，以及其面临的挑战与未来前景。

Part 1

LPO的技术原理与节能优势

● LPO的工作机制

LPO是一种新型光学互连技术，优化数据中心内部的高速数据传输，核心创新在于重新分配传统可插拔光学模块中的DSP功能。

在传统架构中，可插拔模块（如八进制小型可插拔模块，OSFP）内置DSP芯片，负责信号的重新定时、均衡、前向纠错（FEC）等任务，以确保光信号在长距离传输中的质量。

然而，这些DSP芯片功耗较高，约占模块总功耗的50%，成为数据中心节能的瓶颈。LPO的解决之道是将DSP功能集成到ToR交换机的专用集成电路（ASIC）中，使电信号能够直接驱动光学引擎。

具体工作流程如下：

◎ 信号发送端：交换机ASIC中的DSP处理数字信号，通过高速串行解串器（SerDes）链路传输至可插拔模块。模块内仅保留基本的模拟电路，如跨阻放大器（TIA）和连续时间线性均衡器（CTLE），用于将电信号转换为光信号。

◎ 信号接收端：光信号通过光纤传输到接收端后，转换为电信号，再通过SerDes链路送回交换机ASIC进行处理。

通过消除模块内的DSP芯片，LPO简化了信号路径，降低了功耗，同时保留了数据传输的高效性。

LPO的节能效果主要源于DSP功能的移除。据博通（Broadcom）公开数据，LPO模块的功耗相比传统模块可降低约35%。例如，对于一个典型的400Gbps光学模块，传统设计功耗可能在15-20W之间，而LPO可将其降至10-13W。

这种节能幅度对于数据中心尤为重要，因为数据中心的电力消耗中有很大一部分来自互连设备。LPO还能减少模块内部的热量产生。

传统模块中的DSP芯片在高负载运行时会显著升温，导致热效应干扰光信号的稳定性。LPO将DSP移至交换机ASIC后，模块内部的热负荷降低，有助于维持光信号的质量，减少因温度波动导致的漂移问题。

Promex首席执行官Dick Otte曾指出，数据中心机架内设备的温度控制需精确到十分之一摄氏度，LPO的低热特性为此提供了支持。

相较于传统可插拔模块，LPO不仅降低了功耗，还简化了模块设计。传统模块需要复杂的数字电路来处理信号，而LPO利用交换机ASIC中现有的DSP能力，避免了功能的重复实现，降低了模块的制造成本和技术复杂度，为数据中心提供了更经济的选择。

Part 2

LPO在数据中心中

的应用与挑战

数据中心是云计算、大数据和人工智能等技术的核心基础设施，其能源消耗问题日益凸显。

根据国际能源署（IEA）数据，全球数据中心的电力消耗占总用电量的1%-2%，且随着数据量的指数级增长，这一比例还在上升。

在数据中心内部，高速互连设备的功耗占总能耗的30%-40%，特别是ToR交换机之间的光纤连接，成为节能优化的重点。

LPO恰好满足了这一需求。通过将DSP功能集成到交换机ASIC中，LPO不仅降低了单个模块的功耗，还优化了整个互连系统的能源效率。

在典型的叶脊（Leaf-Spine）网络架构中，ToR交换机作为叶交换机，通过光纤与脊交换机连接其他机架。LPO的应用使得这些短距离光互连更加高效。例如，在400Gbps或800Gbps的传输场景中，LPO能够以更低的能耗支持更高的带宽，适用于机架间通信。

LPO推广面临互操作性问题。由于缺乏统一的标准，不同厂商生产的LPO模块可能无法在所有交换机系统中无缝兼容。

这种局限性源于LPO对电信号特性的依赖——到达模块的电信号需要与光学引擎精确匹配，这些特性尚未标准化。

数据中心运营者可能被锁定在单一供应商的生态系统中，限制了灵活性和成本优化。数据中心的核心优势在于组件的可替换性，而LPO当前的互操作性问题削弱了这一特性。

若某厂商的LPO模块与另一厂商的交换机不兼容，用户将无法自由选择更优性价比的解决方案。为应对互操作性挑战，光互联网络论坛（OIF）正在积极制定电气标准，以推动LPO的商业化。

● 主要项目包括：

◎ 通用电气I/O - 112G线性项目：该项目定义了电气接口标准，确保LPO模块能够在不同系统中互操作。该标准不仅适用于LPO，还支持CPO和近封装光学（NPO）等技术。

◎ 重定时TX线性RX（RTLR）项目：RTLR通过在模块中加入传输端重定时器，提升信号质量和传输距离。

传统LPO缺少重定时功能，限制了信号的可恢复范围，而RTLR在发送端清理信号，使接收端无需额外处理即可恢复数据。

OIF团队表示，RTLR还能增强系统对主机和模块差异的容忍度，并支持诊断功能，满足超大规模数据中心的需求。

这些标准的制定将显著提升LPO的适用性。例如，RTLR模块的功耗预计为12 pJ/b，介于传统重定时模块（18 pJ/b）和非重定时LPO（6 pJ/b）之间，兼顾了节能与性能。OIF预计112G标准的草案已接近完成，224G标准也将随后推出，为LPO的广泛部署奠定了基础。

CPO作为另一种节能方案，通过将光学器件直接集成到电气封装中，消除了SerDes链路，理论上比LPO节省更多能源。CPO面临热管理和制造工艺的挑战，商业化进程较慢，LPO利用现有的可插拔模块基础设施，实现难度较低，适合作为过渡技术。

● 在实际应用中，LPO和CPO可能针对不同场景共存。

◎ LPO适用于机架内和机架间的短距离互连（0.5-1米），

◎ 而CPO更适合高性能计算（HPC）等对带宽和延迟要求极高的场景，

LPO可能率先实现商业化，为CPO的成熟争取时间。

小结

线性可插拔光学器件（LPO）作为一种创新的光学互连技术，为数据中心的节能需求提供了切实可行的解决方案。

通过将DSP功能迁移至交换机ASIC，LPO显著降低了功耗并优化了热管理，使其在数据中心的高速互连中展现出巨大潜力。

       原文标题 : 线性可插拔光学器件：数据中心节能新方案