LRO、LPO 和硅光子学：降低光网络中的功耗
在人工智能集群和云数据中心的推动下，对更快、更高效的数据传输的需求不断增长。这些应用所需的计算引擎（GPU、CPU 和存储）机架和配套网络基础设施会消耗大量电网电力。在功率受限的人工智能集群或数据中心中，网络使用的每瓦功率都是无法分配给计算的瓦功率。因此，最大限度地减少网络消耗的总功率是拥有最强大、最高效的人工智能和数据中心基础设施的关键。 线性接收光学器件 (LRO) 和线性可插拔光学器件 (LPO) 是构建 AI 基础设施的工程师正在探索的两种关键解决方案，旨在降低网络设备的功耗。这两种技术都可以降低功耗并消除光学模块中的组件，这使得它们越来越受到高速 AI 集群和数据中心的青睐。
在这里，我们正在探索 LRO 和 LPO 的优势和挑战，以及硅光子学在放大两种格式的性能和成本效益方面发挥的关键作用。
完全重定时、LPO 和 LRO 模块的架构
在下图 1 中，您会注意到当我们从完全重定时模块转移到 LRO 模块再到 LPO 模块时光学模块架构是如何变化的。
完全重定时模块（左）、LPO 模块（中）和 LRO 模块（右）的架构。
什么是 LPO（线性可插拔光学器件）？
LPO（线性可插拔光学器件）收发器缺乏前几代 400G、800G 和 1.6T 光模块中常见的全重定时 (DSP) 电路。因此，与传统的全重定时光模块不同，LPO 依靠主机来处理重定时和信号调节。通过移除 DSP，LPO 可以在不牺牲高速数据传输的情况下降低功耗，但需要精心设计以确保可以构建稳健的链路。
LPO优势：
LPO 具有多项优势，包括：
- 降低功耗：重定时器耗能大，因此将其从模块中移除对降低功耗有显著影响。下图 2 显示了从完全重定时到 LRO 再到 LPO 模块的 1.6T 模块的功耗节省估计值。
- 成本效益：LPO 通过减少关键 BOM 元素（DSP）来降低模块成本，而 DSP 占典型模块 BOM 成本的 25% 以上。
重定时 (DSP) 与 LRO 与 LPO 光学模块的功率耗散。Arista
LPO 的缺点：
对于 LPO 系统来说，关闭具有强大信号完整性的链路更具挑战性。系统需要支持从主机交换机到模块（无论是发送端还是接收端）的损耗约为 16 dB 的信号链路，以及几 dB 的光损耗。理想的系统还必须允许任意配置：任何 LPO 模块都应该能够与任何 LPO 交换机连接，并且这种组合应该与链路另一端的等效 LPO 模块和交换机通信，即使它们是由不同的制造商制造的。这种理想的任意目标在 100G/通道时很难实现，在 200G/通道时将越来越难以实现。
2 种可能的解决方案：书尾链接或工程链接
如果无法实现这种理想的设置，则可能需要采用书端式解决方案，即在链路的两侧仅使用一家特定制造商的硬件。另一种选择是工程链路：为特定设置定制的连接。
书本式解决方案可能更容易实施，但它限制了灵活性并导致供应商锁定。这是互操作性的主要障碍。工程化链路避免了这个问题，但引入了另一个问题：定制的复杂性增加了成本，这可能会使大规模部署变得不可行。
什么是 LRO（线性接收光学）？
LRO 模块在发送端使用单个 DSP 运行，从而消除了完全重定时模块接收端常见的 DSP。通过这样做，LRO 可以降低整个模块的功耗，同时仍在整个系统链路中提供一些重定时功能。
与 LPO 一样，信号恢复的责任转移到主机系统，主机系统必须能够管理信号完整性以确保最佳性能。
LRO优势：
这种转变有几个好处：
- 降低功耗：与完全重定时模块相比，LRO 模块由于不需要在接收端进行重定时，因此功耗更低，但省电效果不如 LPO 模块。
- 成本效益：与完全重定时模块相比，接收端没有重定时电路降低了接收器模块的复杂性，但同样，影响并不像 LPO 模块那么显著。
LRO的缺点：
与其竞争解决方案相比，LRO 具有不同的优点和缺点。简而言之，与 LPO 接口相比，LRO 是一种折衷解决方案，其功耗和成本节省约为一半。LRO 的最大优势或许在于它显著降低了整体链路性能的风险。通过每个主机之间的单个 DSP 中跨，可以消除许多互操作性挑战。
优化 LRO 和 LPO 以实现规模化：硅光子学的作用
硅光子学在以下几个方面对LRO（线性接收光学器件）和LPO（线性可插拔光学器件）的改进发挥着关键作用：
1. 电源效率
硅光子学通过将光学元件直接集成在硅芯片上，降低了 LRO 和 LPO 模块的功耗。传统光学模块需要单独的元件来生成信号、进行调制和检测，所有这些都会消耗电能。硅光子学允许将这些元件小型化并组合在单个芯片上，从而降低能耗，这在 LPO 中尤其重要，因为功率效率是其关键优势。
2.降低成本
使用硅光子技术可以降低 LRO 和 LPO 模块的生产成本，因为硅光子技术依赖于半导体制造厂的制造工艺。因此，制造商可以比传统方法更便宜地生产光学模块，从而有助于降低 LRO 和 LPO 解决方案的成本。
3. 高密度集成
硅光子学允许在单个芯片上更大程度地集成光学和电气元件，从而实现更紧凑、更可扩展的 LRO 和 LPO 模块。这对于 LPO 尤其有利，因为简化收发器设计是其主要目标。这种集成可以开发更小、更高效的收发器，这些收发器仍可处理高数据速率，而无需在模块内使用外部重定时电路。
4. 提高线性度
硅光子调制器的线性度提高，例如马赫曾德尔调制器 (MZM) 技术的进步，可确保输出信号更加成比例，从而减少失真并增强信号完整性。这些进步使硅光子成为线性可插拔光学器件 (LPO) 的更好替代品，因为它们具有低功耗、与现有 CMOS 技术高度集成以及整体高性能的特点。其结果是更高效、更可靠的光通信网络。
5. 200G/通道可用性
对于有源光缆 (AOC) 等电缆应用，LRO 解决方案的风险预计较低，因为整个光纤基础设施和收发器两端都作为一个整体解决方案一起发货，这实际上创造了一个事实上的书端解决方案。这些 AOC 产品历来由 VCSEL 提供服务，但是，200G/通道的 VCSEL 尚未上市，而且它们何时上市也没有明确的时间表。因此，硅光子学非常适合取代此 AOC 应用中的 VCSEL，以及用于收发器的 VCSEL。
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