112G LPO光模块应用白皮书

112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008 1 [编号ODCC-2023-03008] 112GLPO光模块应用白皮书 开放数据中心委员会2023-09发布 112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008 版权声明 ODCC（开放数据中心委员会）发布的各项成果，受《著作权法》保护，编制单位共同享有著作权。 转载、摘编或利用其它方式使用ODCC成果中的文字或者观点的，应注明来源：“开放数据中心委员会ODCC”。 对于未经著作权人书面同意而实施的剽窃、复制、修改、销售、改编、汇编和翻译出版等侵权行为，ODCC及有关单位将追究其法律责任，感谢各单位的配合与支持。 1 112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008 编写组 项目经理： 张少辉腾讯科技工作组长： 王超阿里云计算有限公司贡献专家： 杨光腾讯科技 孙敏腾讯科技 侯康华为 曾嘉宏华为 张桢新华三集团 孙安兵锐捷网络 高万超光迅科技股份有限公司张涛光迅科技股份有限公司 2 112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008 前言 数据中心网络设备升级到112Gbps每通道，传统可插拔光模块扩展到16通道的OSFP-XD，光模块在整机功耗的占比越来越高，大大增加了云服务提供商的持续运营成本！针对此痛点，产业链提出了LPO、CPO、NPO、OBO等多种先进技术期望降低整机功耗。LPO已经经过实际验证，技术上具有可行性，和CPO/NPO/OBO最大的不同是保留了传统re-timer光模块的可插拔特性，且维护了产业链现有生态，通过去除oDSP实现低功耗、低册亨吧、低时延的特性，成为国内外头部科技公司的重点关注对象。 ODCC网络工作组2022年发布《112G高速互连白皮书》。为物理层电链接提供了有力规范支撑。112G线性互联2.0聚焦目前热门的LPO（Linear-drivePluggableOptics）进行研究，期望为目前LPO应用所面临的各种挑战进行技术拆解和解决，和行业一起推动LPO的商业部署。 3 112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008 目录 版权声明1 编写组2 前言3 一、背景介绍6 二、112GLPO线性直驱可插拔模块技术7 （一）LPO技术介绍7 （二）LPO技术收益8 （三）LPO接口类型10 （四）LPO设计10 三、112GLPO技术挑战15 （一）LPO接口标准挑战15 （二）112GLPO商用落地挑战17 四、卷积调优可行性分析19 （一）理想信道19 （二）信道补偿计算原理20 （三）信道补偿计算验证22 （四）总结26 五、LPO光模块特性分析26 （一）LPO具有线性特性26 （二）LPO可以通过卷积进行单次性能调优28 六、网络设备端口SI特性分析30 （一）端口SI设计挑战30 4 112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008 （二）端口SI链路具有差异性32 （三）端口差异性影响LPO应用33 （四）端口SI差异性优化方案34 （五）端口SI设计建议36 七、利用卷积实现LPO系统在线调优37 （一）端口SI设计挑战38 （二）LPO在线调优方案39 （三）收益说明43 八、LPO在线调优的关键技术43 （一）设备PHY芯片均衡技术44 （二）LPO模块的线性调校技术44 （三）带外通信机制/设备间协商机制44 5 112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008 112GLPO应用白皮书 一、背景介绍 随着云服务的普及，以及AI人工智能、ML机器学习和HPC高性能计算的大规模部署，推动云服务提供商不断进行网络带宽的升级，SERDES速率升级到112Gbps每通道，传统可插拔光模块的带宽更是达到1.6Tbps。近期生成式AI的火爆也推动大型科技企业加速大规模训练、推理网络基础设施部署，高速光模块迎来高速增长期。 图1光模块、交换机速率演进 数据中心网络设备升级到112Gbps每通道，传统可插拔光模块扩展到16通道的OSFP-XD，光模块在整机功耗的占比越来越高，大大增加了云服务提供商的持续运营成本！针对此痛点，产业链提出了LPO、CPO、NPO、OBO等多种先进技术期望降低整机功耗。LPO已经经过实际验证，技术上具有可行性，和CPO/NPO/OBO最大的不同是保留了传统re-timer光模块的可插拔特性，且维护了产业链现有生态，通过去除oDSP实现低功耗、低册亨吧、低时延的特性，成为 6 112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008 国内外头部科技公司的重点关注对象。本文将围绕LPO商用提出相应的解决方案，期望为LPO商用落地提供强有力的支撑。 二、112GLPO线性直驱可插拔模块技术 线性直驱可插拔光模块（Liner-drivepluggableOpcics，LPO）通过去除oDSP实现功耗、成本、时延三重收益，同时保留了可传统光模块可插拔的特性和产业链，技术上具有一定的可实现性，应用前景也非常可观。 （一）LPO技术介绍 目前业界主流的PAM4高速光模块基本都是采用传统的re-timer方案，在模块内部实现电信号再生、利用oDSP实现数字信号补偿技术如色散补偿技术、非线性补偿技术、去除噪声技术等，这种设计可以获取更好的系统性能，获取更低电误码率，为网络信号的传输提供了强大的支撑。 传统的re-timer方案虽然具有近乎完美的性能优势，但是随着端口带宽的不断升级，传统re-timer方案成本越来越高、功耗越来越高，为了应对这些挑战，业界提出了LPO线性直驱可插拔光模块技术。该在2023OFC大会上大放异彩，受到行业尤其是国内外头部科技企业的重点关注。 LPO模块的设计框图如下，和传统的re-timer模块方案对比，主要是：1）去除CDR/oDSP等re-timer组件；2）使用性能更优、SI补偿能力更强的的DRV/TIA电芯片；3）将部分补偿功能集成到 7 112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008 网络设备ASIC芯片；4）原来由oDSP实现的信号再生、数字信号补偿功能，变成通过网络设备ASIC芯片、DRV和TIA进行分段补偿。 图2LPO应用框图 综上所述，LPO线性直驱可插拔光模块通过去除传统的re-timer芯片如CDR、oDSP，实现低延迟、低成本和低功耗的特性。LPO的低延迟特性非常在ML机器学习和HPC高性能计算这些对传输时延比较敏感的网络。 （二）LPO技术收益 如上文所述，LPO通过去除re-timer芯片实现低成本、低功耗、低时延的特性，驱动终端用户的最大动力主要是低成本和低功耗两大特性，前者可以降低终端用户的物料采购成本，后者可以降低终端用户的持续运营成本。 传统的re-timer方案可插拔光模块，如oDSP成本在单模模块占比大概在25%左右，在多模模块中成本占比会更高。目前北美已经商用部署800G光模块，800GoDSP芯片采购价格可能高达几十美 8 112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008 金。LPO方案通过去除oDSP，即使高性能的Driver和TIA相比传统的Driver和TIA成本有上涨，但是业界普遍预计也可以获取相当的成本收益。 图3LPO成本收益 随着交换芯片交换容量的提升，交换机的端口越来越多，传统re-timer方案应用场景密度大、功耗高，使得交换机散热设计挑战也越来越大。和传统re-timer方案相比，LPO的功耗优势不仅体现在个体功耗下降，也体现在网络设备整体功耗下降，数据中心规模越大，收益越明显。 图4LPO功耗收益 9 112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008 （三）LPO接❑类型 LPO作为一种热点技术，对模块本体的封装没有要求，不管是QSFP，还是QSFP-DD，亦或是OSFP、OSFPXD等均可以实现LPO方案。软件接口协议亦遵循传统DSP可插拔光模块软件接口协议，保留最大的继承性和兼容性，降低模块侧和应用侧设备重复开发成本。 表1接口行业标准规范参考表 Type Mechanical LowSpeed&GeneralElectrical ManagementInterface Module Connector Cage (SinglePort) Cage(GangedPort) QSFP112 QSFP112MSASpecification CMIS 4.0 QSFP-DD112 QSFP-DDMSASpecification CMIS 4.0 OSFP112 OSFPMSASpecification CMIS 4.0 SFP112 SFP-DDMSASpecification CMIS 4.0 SFP-DD112 SFP-DDMSASpecification CMIS 4.0 DSFP/NGSFP112 TBD CMIS 4.0 （四）LPO设计 全新的解决方案以现有产品族群的设计要求为牵引，在结合现有结构特点做升级演进，提升速率的同时，也保证了对管理接口和Pin定义的延续。 1.LPO结构设计 根据实际运用环境的不同，OSFP，QSFP-DD产品又衍生出多种形态。多形态的设计均是基于对模块本身散热需求的考量，鉴于LPO的功率较低，同时考虑到产品形态的归一化对产品和市场发展 10 112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008 的健康促进，一般将QSFP112、QSFP-DDType1和OSFPOpenTop作为LPO的首选型号（如下以QSFP112G为例）。 表2QSFP112尺寸参考 接口类型 接口形态 接口规范 QSFP112 QSFP112Specification-Rev2.1.1 11 112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008 2.LPO接❑电路设计 LPO作为一种热点技术，对模块本体的封装没有要求，不管是QSFP，还是QSFP-DD，亦或是OSFP、OSFPXD等均可以实现LPO方案。软硬件亦遵循传统DSP可插拔光模块的软硬件接口协议，保留最大的继承性和兼容性，降低模块侧和应用侧设备重复开发成本。 图5QSFP112Pin定义（例） 图6exampleQSFP112HostBoardSchematicforPassiveCopperCables 12 112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008 3．112GLPO管理界面标准 LPO作为一种热点技术，对模块本体的封装没有要求，不管是QSFP，还是QSFP-DD，亦或是OSFP、OSFPXD等均可以实现LPO方案。软硬件亦遵循传统DSP可插拔光模块的软硬件接口协议，保留最大的继承性和兼容性，降低模块侧和应用侧设备重复开发成本。 表3EEPROMMap参考规范 Type ManagementInterface QSFP112 SFF-8636，SFF-8024orCMIS4.0orCMIS5.0 QSFP-DD112 CMIS4.0orCMIS5.0 OSFP112 CMIS4.0orCMIS5.0 SFP-DD/SFP112 CMIS4.0orCMIS5.0 DSFP(NGSFP) CMIS4.0orCMIS5.0 4．QSFP112EEPROMMap 表4QSFPEEPROMMAP 注：QSFP112GPAM4特别标注位 13 112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008 表5 注：以上内容参考《SFF-8636ManagementInterfaceforCabledEnvironmentsRev2.9》 图7CMISModuleMemoryMap表6 表7 14 112GLPO光模块应用白皮书ODCC-2023-03008 注：以上内容参考《CommonManagementInterfaceSpecificationRev4.