如何消除DSP帶來的功耗與成本影響？

今年的OFC 2023, linear drive的概念大放異彩、非?；鸨o論是Arista的大會報告，還是各大電芯片廠商后續(xù)的反饋及相關(guān)產(chǎn)品的推出，linear drive pluggable optics(以下簡稱LPO)正在穩(wěn)步地產(chǎn)品落地中。小豆芽這里收集了一些相關(guān)資料，理解下linear drive的概念，供大家參考。涉及到電路相關(guān)的知識點，如果表述不嚴謹準確，還請大家多多指正。

當前的高速光模塊中，通常會引入DSP芯片，對高速信號進行信號處理，其主要功能包括：1)ADC/DAC, 2)FEC, 3)retiming, 4)reshaping, 5) adaptive-equalizer 等，如下圖所示，

(圖片來自https://www.fibermall.com/blog/400g-qsfp-dd-aoc-pam4-dsp.htm)

DSP雖然功能非常強大，但也帶來了很大的功耗和成本開銷，是一把雙刃劍。400G光模塊中用到的7nm DSP, 功耗約為4W，占到了整個模塊功耗的50%，下圖為400G ZR光模塊的功耗分解, IMDD的情況與此類似。

(圖片來自文獻1)

如何消除DSP帶來的功耗與成本影響?Linear-drive的概念應(yīng)運而生。在光模塊中不再采用DSP, 只留下driver和TIA，而將DSP功能集成到交換芯片中，如下圖所示。在光模塊中，電芯片只剩下driver和TIA, 有別于傳統(tǒng)的driver和TIA, LPO中的driver和TIA需要分別集成CTLE和Equalization功能，用于對高速信號進行一定程度的補償。Driver的主要功能是線性放大(linear amplifier)，輸出電壓是線性變化的。Switch發(fā)出的信號，不再需要通過CDR恢復(fù)產(chǎn)生(retiming)，而是直接傳遞給driver。Retiming是個非線性過程，LPO也被稱為Non-retimed module。

(圖片來自Huawei slides)

LPO的優(yōu)勢主要有以下幾點：

1)功耗低

相比于可插拔光模塊，LPO的功耗下降約50%，與CPO的功耗接近。下圖是Arista針對不同光學(xué)方案的功耗對比，采用Linear-drive方案后，不同方案(硅光、VCSEL、TFLN薄膜鈮酸鋰)的功耗均下降50%左右。

交換機系統(tǒng)的整體功耗會下降25%左右，如下圖所示。

2)低延遲

由于不再采用DSP，不涉及對信號的復(fù)原，整個系統(tǒng)的latency大大降低，可以應(yīng)用到對延遲要求比較高的場景，例如高性能計算中心(HPC)中GPU之間的互聯(lián)。

3)低成本

由于不再需要采用5nm/7nm工藝的DSP芯片，系統(tǒng)的成本得以降低。但究竟降低多少，小豆芽這里摘抄研報里的一些數(shù)據(jù)，800G光模塊中，BOM成本約為600-700美金，DSP芯片的成本約為50-70美金，Driver和TIA里集成了EQ功能，成本會增加3-5美金，系統(tǒng)總成本下降在8%左右。

4)可熱插拔

CPO由于可靠性和成本等因素，目前還沒有被大規(guī)模應(yīng)用。相比于CPO, LPO仍然采用可插拔模塊的形式，其可靠性高，維護方便，可以利用成熟的光模塊供應(yīng)鏈。這也是LPO方案備受青睞的重要原因之一，沒有像CPO那樣進行較大的封裝形式革新。

下圖是傳統(tǒng)光模塊、LPO與CPO各個維度的比較。

(圖片來自 Meta slides)

當然LPO作為新的技術(shù)方案，仍然存在不少問題需要解決。典型的問題包括：

1)需要在交換機中集成DSP芯片，這一點需要switch芯片廠商的推動。LPO方案也動了DSP芯片廠商(Broadcom與Inphi)的蛋糕。

2)需要定義新的協(xié)議與測試方法，OIF正在定義CEI-112G-LINEAR標準。

3)LPO適用的場景，是否可以達到公里級?由于模塊中不再有DSP芯片，系統(tǒng)的誤碼率會有所下降，傳輸距離也會減小。

在OFC 2023上，多家廠商展示了其linear-drive方案，包括Macom、Broadcom和Cisco等公司，尤其是Arsita在plenary talk里的介紹。在OFC結(jié)束后的這大半個月來，多家公司相繼推出LPO方案，可見大家對該方案的青睞。但是目前LPO方案更多的是在技術(shù)討論階段，還未塵埃落定，也沒有到量產(chǎn)階段。LPO方案的推出，是對低功耗低成本高速光模塊需求的體現(xiàn)。

審核編輯：湯梓紅