CPO vs NPO vs XPO: Αρχιτεκτονική, ισχύ, ψύξη και συντήρηση στην οπτική κέντρου δεδομένων AI

Τα συμπλέγματα τεχνητής νοημοσύνης αναγκάζουν το εύρος ζώνης του διακόπτη, τον αριθμό οπτικών λωρίδων, την πυκνότητα του μπροστινού πίνακα και την ισχύ του συστήματος να κλιμακώνονται ταυτόχρονα. Καθώς οι ρυθμοί ηλεκτρικών λωρίδων αυξάνονται, η σύνδεση μεταξύ ενός διακόπτη ASIC και των οπτικών διεπαφών του γίνεται σταδιακά πιο δύσκολο να σχεδιαστεί. Τα μεγαλύτερα κανάλια PCB εισάγουν περισσότερες απώλειες και συχνά απαιτούν ισχυρότερη εξισορρόπηση, επαναχρονισμό ή επεξεργασία ψηφιακού σήματος.

Οι CPO, NPO και XPO αντιμετωπίζουν αυτό το πρόβλημα μέσω τριών διαφορετικών στρατηγικών τοποθέτησης οπτικού κινητήρα:

• CPOμετακινεί την οπτική μετατροπή στο περιβάλλον σε επίπεδο πακέτου του μεταγωγέα ASIC.

• NPOτοποθετεί τους οπτικούς κινητήρες κοντά στο ASIC αλλά τους διατηρεί στο κεντρικό PCB.

• XPOδιατηρεί μια συνδεδεμένη μονάδα στον μπροστινό πίνακα ενώ αυξάνει την πυκνότητα της ηλεκτρικής λωρίδας και εισάγει την υγρή ψύξη σε επίπεδο μονάδας.

Κοινός τους στόχος είναι να μειώσουν τους περιορισμούς που δημιουργούνται από την ηλεκτρική μετάδοση υψηλής ταχύτητας. Ωστόσο, κάθε αρχιτεκτονική κατανέμει διαφορετικά την ισχύ, τη θερμότητα, τον κίνδυνο συσκευασίας, τη συνδεσιμότητα ινών και την ευθύνη συντήρησης.

Τι είναι το CPO, το NPO και το XPO;

Το CPO τοποθετεί οπτικούς κινητήρες μέσα στο περιβάλλον σε επίπεδο πακέτου του κεντρικού ASIC, το NPO τους τοποθετεί στο PCB του συστήματος κοντά στο ASIC και το XPO διατηρεί μια συνδεδεμένη μονάδα μπροστινού πίνακα υψηλής πυκνότητας. Η κύρια αντιστάθμιση είναι μεταξύ της ηλεκτρικής εμβέλειας, της ενσωμάτωσης του πακέτου, του θερμικού σχεδιασμού και της δυνατότητας συντήρησης πεδίου.

ΟΠλαίσιο OIF CEI-448Gορίζει το CPO ως μια ηλεκτρική προς οπτική συσκευή τοποθετημένη στο πακέτο κεντρικού υπολογιστή. Ορίζει το NPO ως μια συσκευή που είναι τοποθετημένη στο κεντρικό PCB δίπλα στο πυρίτιο υποδοχής για να ελαχιστοποιήσει τα ίχνη PCB και τις απαιτήσεις ηλεκτρικής σηματοδότησης.

CPO vs NPO vs XPO Optical Engine Placement

Περιγραφές όπως "CPO σε κλίμακα μικρομέτρου", "NPO κλίμακας εκατοστών" και "βυσματοποιήσιμες μονάδες κλίμακας δεκατόμετρου" μπορεί να είναι χρήσιμες ως εννοιολογικές απεικονίσεις, αλλά δεν αποτελούν καθολικά όρια προδιαγραφών. Η φυσική απόσταση εξαρτάται από τη συσκευασία, την πλακέτα, τον συνδετήρα και τον σχεδιασμό του πλαισίου.

Ο κοινός στόχος: Συντόμευση της ηλεκτρικής διαδρομής

Σε έναν συμβατικό διακόπτη, το ASIC βρίσκεται στην πλακέτα συστήματος, ενώ οι οπτικοί πομποδέκτες είναι εγκατεστημένοι στον μπροστινό πίνακα. Τα ηλεκτρικά σήματα υψηλής ταχύτητας πρέπει να διασχίζουν τις μεταβάσεις πακέτων, τα ίχνη PCB, τις διόδους, τους συνδέσμους και την ηλεκτρική διεπαφή της μονάδας προτού πραγματοποιηθεί η οπτική μετατροπή.

Σε υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων, η διαχείριση αυτού του καναλιού γίνεται πιο δύσκολη. Οι διηλεκτρικές απώλειες, οι αντανακλάσεις, η αλληλεπίδραση και οι ασυνέχειες σύνθετης αντίστασης μειώνουν το περιθώριο σήματος. Το σύστημα μπορεί να αντισταθμίσει μέσω ισχυρότερης εξισορρόπησης πομπού και δέκτη, ανάκτησης ρολογιού, επαναχρονομέτρησης, διόρθωσης σφαλμάτων προώθησης ή μιας μονάδας DSP με επαναχρονισμό.

Η μετακίνηση του οπτικού κινητήρα πιο κοντά στο ASIC συντομεύει το ηλεκτρικό τμήμα της ζεύξης. Στη συνέχεια, μεγαλύτερο μέρος της φυσικής απόστασης μπορεί να καλυφθεί οπτικά και όχι μέσω ιχνών PCB υψηλής ταχύτητας.

Τρία μοντέλα τοποθέτησης οπτικού κινητήρα

• CPO:Η οπτική μετατροπή λαμβάνει χώρα μέσα στο συγκρότημα σε επίπεδο συσκευασίας.

• NPO:πραγματοποιείται οπτική μετατροπή στο κεντρικό PCB κοντά στη συσκευασία.

• XPO:Η οπτική μετατροπή παραμένει μέσα σε μια αντικαταστάσιμη μονάδα μπροστινού πίνακα.

Αυτή η απόφαση τοποθέτησης επηρεάζει την ηλεκτρική απώλεια, τη διανομή ισχύος, τη δομή ψύξης, τη δρομολόγηση των ινών, τη διαδικασία κατασκευής και τη στρατηγική επισκευής του συστήματος.

Γιατί έχει σημασία η ηλεκτρική απόσταση σε διακόπτες υψηλής ταχύτητας

Πώς οι βραχύτερες ηλεκτρικές διαδρομές μειώνουν την επιβάρυνση του σήματος

Η ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ ενός ASIC και ενός οπτικού κινητήρα καταναλώνει μέρος του προϋπολογισμού ακεραιότητας σήματος, ισχύος και θερμότητας του συστήματος.

Καθώς οι ρυθμοί λωρίδων αυξάνονται, η μετάδοση PCB γίνεται όλο και πιο ευαίσθητη σε:

• Μήκος ίχνους

• Δρομολόγηση διαφυγής πακέτου

• Απώλεια διηλεκτρικής πλακέτας

• Vias και μεταβάσεις σύνδεσης

• Στιχομυθία

• Απώλεια επιστροφής

• Δυνατότητα εξισορρόπησης

Ένα μεγαλύτερο κανάλι απαιτεί γενικά μεγαλύτερη αποζημίωση. Αυτή η αντιστάθμιση καταναλώνει ενέργεια και δημιουργεί θερμότητα, συχνά σε περιοχές όπου η ροή αέρα και ο χώρος του πάνελ είναι ήδη περιορισμένοι.

Απώλεια καναλιού PCB, εξισορρόπηση και ισχύς

Μια συμβατική οπτική μονάδα μπορεί να περιέχει ένα DSP που ανακτά και επαναχρονίζει το ηλεκτρικό σήμα πριν από την οπτική μετάδοση. Αυτό δημιουργεί ένα ισχυρό όριο μονάδας, αλλά προσθέτει επίσης ισχύ μέσα στον πομποδέκτη.

Μια συντομότερη ηλεκτρική διαδρομή μπορεί να υποστηρίζει άλλες διευθετήσεις διεπαφής:

• Γραμμική οπτική, όπου περισσότερη ρύθμιση σήματος παραμένει στο κεντρικό ASIC

• Ημι-επαναχρονομετρημένη οπτική, όπου μόνο ένα μέρος της διεπαφής επαναχρονίζεται

• Πλήρως ανανεωμένη οπτική, όπου η μονάδα παρέχει ένα πλήρες όριο επαναχρονισμού

Ο προτιμώμενος σχεδιασμός εξαρτάται από την ικανότητα του SerDes του κεντρικού υπολογιστή, την απώλεια καναλιού, τις απαιτήσεις διαλειτουργικότητας, την οπτική απόσταση, τα θερμικά όρια και τον αποδεκτό κίνδυνο υλοποίησης.

Επομένως, το σχετικό μηχανολογικό ερώτημα δεν είναι απλώς εάν υπάρχει DSP. Είναι:

Πού βρίσκονται οι λειτουργίες εξισορρόπησης, επαναχρονομέτρησης, ανάκτησης ρολογιού και FEC και ποιο ηλεκτρικό κανάλι πρέπει να αντισταθμίζουν;

Γιατί οι βραχύτεροι ηλεκτρικοί σύνδεσμοι δεν δημιουργούν αυτόματα ένα καλύτερο σύστημα

Η μείωση της ηλεκτρικής εμβέλειας βελτιώνει ένα μέρος του σχεδιασμού, αλλά μπορεί να περιπλέξει άλλα.

• Συγκεντρώστε επιπλέον θερμότητα γύρω από τη μεγαλύτερη θερμική πηγή του συστήματος

• Αυξήστε το μέγεθος της συσκευασίας και την πολυπλοκότητα του υποστρώματος

• Κάντε τους οπτικούς κινητήρες πιο δύσκολο να αντικατασταθούν

• Απόδοση ζεύγους οπτικού κινητήρα σε απόδοση συσκευασίας

• Αυξήστε την εσωτερική πυκνότητα των ινών

• Απαιτείται πιο ακριβής ευθυγράμμιση από ίνα σε τσιπ

• Πολύπλοκη δοκιμή σε επίπεδο πακέτου

Το CPO, το NPO και το XPO είναι επομένως διαφορετικοί τρόποι κατανομής των μηχανικών περιορισμών αντί για την εξάλειψή τους.

CPO Architecture: Optical Engines Inside the ASIC Package

Συν-συσκευασμένα οπτικάτοποθετεί τους οπτικούς κινητήρες μέσα στο περιβάλλον σε επίπεδο πακέτου του διακόπτη ASIC. Αντί να δρομολογεί κάθε ηλεκτρική λωρίδα υψηλής ταχύτητας στον μπροστινό πίνακα, το σύστημα εκτελεί οπτική μετατροπή κοντά στο ASIC και μεταφέρει τα σήματα προς τον πίνακα μέσω ίνας.

Αυτή είναι η πιο επιθετική από τις τρεις αρχιτεκτονικές στη μείωση της ηλεκτρικής εμβέλειας.

Φυσική ενοποίηση με 2.5D και 3D συσκευασία

Το CPO συνδέεται συχνά με συσκευασία 2,5D και 3D, αλλά αυτοί οι όροι δεν είναι εναλλάξιμοι με CPO.

• Ένας διακόπτης ASIC

• Πολλαπλοί οπτικοί κινητήρες

• Συσκευές πυριτίου-φωτονικής

• Ηλεκτρικοί οδηγοί και δέκτες

• Υποστρώματα συσκευασίας ή παρεμβολείς

• Κατασκευές προσάρτησης ινών

• Θερμικοί διανομείς ή ψυχρές πλάκες

Ο οπτικός κινητήρας δεν χρειάζεται να κατασκευαστεί στο ίδιο καλούπι ημιαγωγών με το ASIC. Μπορούν να ενσωματωθούν ξεχωριστά ηλεκτρονικά και φωτονικά chiplet στο ίδιο συγκρότημα σε επίπεδο συσκευασίας.

ΟΠλαίσιο Συνσυσκευασίας OIFπεριγράφει συσκευασμένα συγκροτήματα που περιέχουν πρίζες ή συγκολλημένα ASIC και οπτικούς ή ηλεκτρικούς κινητήρες σε υπόστρωμα υψηλής απόδοσης. Συζητά επίσης μια διάταξη με πρίζα κοντά στη συσκευασία που αποσκοπεί στη βελτίωση της ευελιξίας συναρμολόγησης και εκ νέου επεξεργασίας.

Το εύρος ζώνης CPO είναι ειδικό για την υλοποίηση

Το CPO είναι μια αρχιτεκτονική ολοκλήρωσης και όχι μια κλάση σταθερού εύρους ζώνης.

ΟΣυμφωνία υλοποίησης OIF 3.2 Tb/s Co-Packaged Moduleορίζει ένα δομικό στοιχείο 3,2 Tb/s για συγκροτήματα διακοπτών 51,2 Tb/s. Οι οπτικές παραλλαγές του περιλαμβάνουν διαμορφώσεις παράλληλων ινών και μήκους κύματος με πολλαπλή πλεκτάνη, ενώ η ίδια μηχανική ιδέα μπορεί επίσης να υποστηρίξει μια μονάδα παθητικής σύνδεσης χαλκού.

Αυτή η ενότητα 3.2T είναι μια τυποποιημένη υλοποίηση. Δεν σημαίνει ότι κάθε κινητήρας CPO πρέπει να λειτουργεί στα 3,2 Tbps ή ότι το CPO περιορίζεται μόνιμα σε ένα εύρος εύρους ζώνης.

• Καταμέτρηση ηλεκτρικών λωρίδων

• Ρυθμός δεδομένων ανά λωρίδα

• Αριθμός οπτικού μήκους κύματος

• Μορφή διαμόρφωσης

• Διαμερισμός κινητήρα

• Αριθμός φυτικών ινών

• Τοπολογία πακέτου

Πλεονεκτήματα ισχύος και καθυστέρησης

Το κύριο πλεονέκτημα ισχύος CPO προέρχεται από τη μείωση της ηλεκτρικής σύνδεσης υψηλής ταχύτητας μεταξύ του ASIC και του οπτικού κινητήρα.

• Ηλεκτρικά προγράμματα οδήγησης υψηλής ταλάντευσης

• Ισχυρή εξίσωση λήψης

• Ενδιάμεσοι χρονομετρητές

• Πλήρης μονάδα επεξεργασίας DSP

• Πρόσθετα στάδια FEC

Το συνολικό όφελος εξαρτάται από την βασική αρχιτεκτονική. Η ενέργεια που εξοικονομείται στη διεπαφή ASIC-to-optics δεν θα πρέπει να παρουσιάζεται αυτόματα ως το ίδιο ποσοστό της συνολικής ισχύος διακόπτη.

• Ο διακόπτης ASIC

• Οπτικοί διαμορφωτές και δέκτες

• Πηγές λέιζερ

• Μετατροπή τάσης

• Αντλίες ψύξης και ανεμιστήρες

• Ηλεκτρονικά διαχείρισης

• Υλικό επιπέδου ελέγχου

Το CPO μπορεί επίσης να μειώσει τον λανθάνοντα χρόνο διεπαφής όταν αφαιρεί ή απλοποιεί τα στάδια επαναχρονομέτρησης και επεξεργασίας σήματος. Δεν υπάρχει καθολικός αριθμός καθυστέρησης CPO, επειδή το αποτέλεσμα εξαρτάται από το εάν η μέτρηση καλύπτει την ηλεκτρική διεπαφή, τον οπτικό κινητήρα, το FEC, την πλήρη οπτική ζεύξη, τη σωλήνωση μεταγωγών ή το δίκτυο από άκρο σε άκρο.

Όρια λειτουργικότητας, απόδοσης και αστοχίας

Οι παραδοσιακές πρίζες δημιουργούν ένα σαφές όριο συντήρησης. Μια αποτυχημένη μονάδα μπορεί να αφαιρεθεί από τον μπροστινό πίνακα χωρίς να αντικατασταθεί ο διακόπτης ASIC.

Ο CPO αλλάζει αυτό το όριο.

Ένας συγκολλημένος οπτικός κινητήρας μπορεί να είναι δύσκολο να αντικατασταθεί μετά τη συναρμολόγηση της συσκευασίας. Μια αστοχία μέσα σε ένα σφιχτά ενσωματωμένο πακέτο μπορεί επομένως να διευρύνει τον τομέα αντικατάστασης και να αυξήσει το κόστος επισκευής.

Αυτό δεν σημαίνει ότι κάθε οπτική βλάβη απαιτεί απόρριψη του ASIC. Η δυνατότητα συντήρησης εξαρτάται από το εάν ο σχεδιασμός χρησιμοποιεί:

• Συγκολλημένοι οπτικοί κινητήρες

• Υποδοχείς οπτικοί κινητήρες

• Αντικαταστάσιμα εξωτερικά λέιζερ

• Πλεονασμός καναλιών

• Πλεονασμός κινητήρα

• Επανεργασία σε επίπεδο πακέτου

• Επισκευή αποθήκης παρά επισκευή πεδίου

Οι κινητήρες με υποδοχές μπορούν να βελτιώσουν την ανακατασκευή, αλλά παραμένουν λιγότερο προσβάσιμοι από τους πομποδέκτες μπροστινού πίνακα. Επομένως, ο σχεδιασμός πρέπει να λαμβάνει υπόψη τόσο την αρχική απόδοση κατασκευής όσο και τη μακροπρόθεσμη αξιοπιστία κατά τη χρήση.

Αρχιτεκτονική πακέτου CPO με εξωτερική πηγή λέιζερ

Εξωτερικές πηγές λέιζερ ως συμβιβασμός θερμότητας και συντήρησης

Τα λέιζερ είναι εξαρτήματα ευαίσθητα στη θερμοκρασία. Η τοποθέτησή τους δίπλα σε ένα ASIC υψηλής ισχύος μπορεί να περιπλέξει τον θερμικό σχεδιασμό και να μειώσει το διαθέσιμο περιθώριο αξιοπιστίας.

Μια εξωτερική αρχιτεκτονική λέιζερ διαχωρίζει την πηγή λέιζερ συνεχούς κύματος από τον οπτικό κινητήρα. Η οπτική ισχύς παρέχεται μέσω ίνας στους διαμορφωτές μέσα στο συν-συσκευασμένο συγκρότημα, ενώ το λέιζερ παραμένει σε ψυχρότερη και πιο προσβάσιμη θέση.

ΟΣυμφωνία Εφαρμογής ΔΟΦ ΕΛΣΦΠορίζει τοΕξωτερικό Laser Small Form-Factor Pluggableως πηγή φωτός συνεχούς κύματος με δυνατότητα αντικατάστασης πεδίου για οπτικούς πομποδέκτες που συσκευάζονται σε ένα σύστημα. Χρησιμοποιεί μια ηλεκτρο-οπτική σύνδεση blind-mate και προορίζεται κυρίως για εφαρμογές CPO.

• Διαχωρισμός του θερμικού περιβάλλοντος λέιζερ από τη συσκευασία ASIC

• Ανεξάρτητη αντικατάσταση μιας αποτυχημένης πηγής φωτός

• Απλοποιημένη ψύξη με λέιζερ

• Κεντρική διαχείριση οπτικής ισχύος

• Πιθανή επαναχρησιμοποίηση ή αναβάθμιση μονάδων λέιζερ

Δημιουργεί επίσης απαιτήσεις για διανομή οπτικής ισχύος, καθαριότητα συνδετήρων, ασφάλειες ασφαλείας, πλεονασμό και παρακολούθηση.

Το ELSFP δεν είναι άλλο όνομα για το XPO. Το ELSFP παρέχει εξωτερική οπτική ισχύ σε συνδυασμένους κινητήρες, ενώ το XPO ορίζει μια διαφορετική οπτική αρχιτεκτονική με δυνατότητα σύνδεσης.

Αρχιτεκτονική NPO: Οπτικοί κινητήρες κοντά στο ASIC αλλά έξω από το πακέτο

Σχεδόν συσκευασμένα οπτικάτοποθετεί τους οπτικούς κινητήρες στο κεντρικό PCB κοντά στο διακόπτη ASIC αλλά εκτός του πακέτου ASIC.

Το NPO μειώνει την ηλεκτρική απόσταση, διατηρώντας παράλληλα μεγαλύτερο φυσικό διαχωρισμό μεταξύ του οπτικού κινητήρα και του πακέτου κεντρικού υπολογιστή.

Αρχιτεκτονική οπτικών μηχανών σε επίπεδο συμβουλίου NPO

Τοποθέτηση σε επίπεδο πίνακα και ενδιάμεση ηλεκτρική προσέγγιση

• Δίπλα στο ASIC

• Περιμετρικά της δομής ψύξης ASIC

• Σε μια κοντινή κόρη

• Σε ένα εσωτερικό συγκρότημα με σύνδεσμο

• Μέσα σε πρίζα σε επίπεδο πλακέτας

Η ακριβής τοποθέτηση και η μέθοδος προσάρτησης εξαρτώνται από την υλοποίηση.

Σε σύγκριση με τα οπτικά στοιχεία του μπροστινού πίνακα, το NPO μειώνει την εμβέλεια των PCB. Σε σύγκριση με το CPO, τα ηλεκτρικά σήματα εξακολουθούν να διασχίζουν τα όρια του πακέτου ASIC και να ταξιδεύουν σε μέρος του κεντρικού PCB.

Ως εκ τούτου, το NPO διατηρεί ορισμένους περιορισμούς στο ηλεκτρικό κανάλι, ενώ αποφεύγει ορισμένους κινδύνους ενοποίησης σε επίπεδο πακέτου.

Οπτικός-Ηλεκτρικός Διαχωρισμός και Επισκευή

Επειδή ο οπτικός κινητήρας παραμένει εκτός του πακέτου ASIC, το NPO μπορεί να παρέχει μικρότερο τομέα αστοχίας από ένα στεγανά ενσωματωμένο συγκρότημα CPO.

Ένας αποτυχημένος οπτικός κινητήρας μπορεί να αντικατασταθεί χωρίς αντικατάσταση του διακόπτη ASIC. Ωστόσο, αυτό δεν πρέπει να συγχέεται με την εναλλαγή θερμής μπροστινής πλευράς.

• Άνοιγμα του πλαισίου

• Αφαίρεση ψύκτρας ή ψυχρής πλάκας

• Αποσύνδεση εσωτερικών ινών

• Αποδέσμευση εσωτερικής υποδοχής ή υποδοχής

• Αντικατάσταση θυγατρικής πλακέτας

• Εκτέλεση επανεργασίας σε επίπεδο πίνακα

Το NPO είναι επομένως πιο διαχωρισμένο από το CPO αλλά λιγότερο προσβάσιμο από το XPO ή μια συμβατική μονάδα μπροστινού πίνακα.

Πλεονεκτήματα συσκευασίας και ψύξης έναντι του CPO

Το NPO αποφεύγει την τοποθέτηση κάθε οπτικού κινητήρα απευθείας μέσα στο πακέτο υποδοχής. Αυτό μπορεί να μειώσει την πίεση σε:

• Χώρος συσκευασίας-υποστρώματος

• Οπτικό εξάρτημα σε επίπεδο συσκευασίας

• Συναρμολόγηση πακέτου

• Απόδοση συνδεδεμένης συσκευασίας

• Επανεξέταση του πακέτου

Μπορεί επίσης να παρέχει μεγαλύτερη ελευθερία στη δημιουργία χωριστών θερμικών διαδρομών για τους κινητήρες ASIC και τους οπτικούς κινητήρες.

• Αερόψυξη

• Αγώγιμοι διανομείς θερμότητας

• Ψύκτρα που τοποθετούνται σε σανίδα

• Ψυχρές πλάκες συστήματος

• Υγρόψυξη σε επίπεδο πλαισίου

Το NPO απαιτεί ακόμη εξελιγμένη κατασκευή. Η πλακέτα υποδοχής πρέπει να ενσωματώνει βραχείες ηλεκτρικές ζεύξεις υψηλής ταχύτητας, οπτικούς κινητήρες, εσωτερικές ίνες, παροχή ισχύος, θερμικές δομές και πρόσβαση σε υπηρεσίες εντός μιας περιορισμένης περιοχής.

Όρια NPO

Το NPO δεν συντομεύει την ηλεκτρική διαδρομή τόσο επιθετικά όσο το CPO. Μπορεί επομένως να απαιτεί ισχυρότερη εξισορρόπηση ή επαναχρονισμό από έναν οπτικό κινητήρα σε επίπεδο πακέτου.

• Το πακέτο ASIC

• Ίχνη PCB κεντρικού υπολογιστή

• Ενδιάμεσοι σύνδεσμοι

• Τοποθέτηση κινητήρα

• Ρυθμός ηλεκτρικής λωρίδας

• Θερμικός σχεδιασμός

• Εσωτερική δρομολόγηση ινών

Το NPO δεν θα πρέπει να ορίζεται από ένα σταθερό συνολικό εύρος ζώνης. Η χωρητικότητά του εξαρτάται από τον αριθμό των ηλεκτρικών λωρίδων, τον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων ανά λωρίδα, το σχέδιο οπτικού μήκους κύματος και τον διαχωρισμό του κινητήρα.

Το NPO ως Ενδιάμεση Αρχιτεκτονική

• Η ηλεκτρική απόσταση του μπροστινού πίνακα γίνεται πολύ δύσκολη

• Η πλήρης ενσωμάτωση CPO δεν είναι αποδεκτή

• Είναι δυνατό το εσωτερικό σέρβις κινητήρα

• Διατίθεται οπτική ενοποίηση σε επίπεδο πλακέτας

• Η θερμή αντικατάσταση του μπροστινού πίνακα δεν είναι απαραίτητη

Αυτό δεν σημαίνει ότι το NPO πρέπει να είναι προσωρινό. Μπορεί να παραμείνει χρήσιμο όπου οι σχεδιαστές συστημάτων εκτιμούν τόσο τη μικρότερη ηλεκτρική απόσταση όσο και τη μερική ανεξαρτησία του οπτικού κινητήρα.

XPO Architecture: Rebuilding the Pluggable Model for Extreme Density

Το XPO σημαίνει εξαιρετικά πυκνά Pluggable Optics. Διατηρεί ένα όριο αντικατάστασης του μπροστινού πίνακα ενώ αυξάνει την πυκνότητα της ηλεκτρικής λωρίδας και εισάγει την υγρή ψύξη στο επίπεδο της μονάδας.

Ο επίσημοςXPO MSAαναπτύσσει έναν υγρόψυκτο συντελεστή βυσματοποίησης που υποστηρίζει64 ηλεκτρικές λωρίδες υψηλής ταχύτητας. Το MSA είναι ανοιχτό σε ενδιαφερόμενους συμμετέχοντες χωρίς διακρίσεις.

Σε αντίθεση με το CPO και το NPO, το XPO δεν επιλύει πρωτίστως το πρόβλημα της ηλεκτρικής απόστασης μετακινώντας την οπτική μετατροπή δίπλα στο ASIC. Επικεντρώνεται στην αύξηση της πυκνότητας και της ικανότητας ψύξης μιας αντικαταστάσιμης μονάδας μπροστινού πίνακα.

XPO Liquid-Cooled Pluggable Module

Δυνατότητα σύνδεσης μπροστινού πίνακα και ενσωμάτωση σε επίπεδο μονάδας

Μια μονάδα XPO παραμένει προσβάσιμη από τον μπροστινό πίνακα.

• Ανεξάρτητη αντικατάσταση μονάδας

• Επιτόπια εξυπηρέτηση

• Ξεχωριστοί κύκλοι ζωής διακόπτη και οπτικών

• Απόθεμα σε επίπεδο ενότητας

• Ευέλικτη επιλογή οπτικής προσέγγισης

• Σαφέστερη απομόνωση σφαλμάτων

Το κόστος είναι ένα μεγαλύτερο και πιο σύνθετο όριο ενότητας. Το XPO πρέπει να φιλοξενεί μεγάλο αριθμό ηλεκτρικών λωρίδων, σημαντική παροχή ισχύος, πυκνή οπτική συνδεσιμότητα, διαχείριση μονάδων, υγρή ψύξη και αξιόπιστο μηχανισμό εισαγωγής και εκτόξευσης.

Τι σημαίνουν οι 64 ηλεκτρικές λωρίδες για το σχεδιασμό συστήματος

Το XPO MSA προσδιορίζει επί του παρόντος μια ηλεκτρική διεπαφή 64 λωρίδων. Η συνολική οπτική χωρητικότητα θα εξαρτηθεί από τον τελικό ρυθμό σηματοδότησης ανά λωρίδα, τη μέθοδο διαμόρφωσης, την κωδικοποίηση, την αρχιτεκτονική επαναχρονισμού και την οπτική υλοποίηση.

• Πυκνότητα ηλεκτρικού συνδετήρα

• Δρομολόγηση διαφυγής PCB κεντρικού υπολογιστή

• Παράδοση ισχύος μονάδας

• Θερμικό φορτίο

• Έλεγχος και διαγνωστική μονάδα

• Αριθμός οπτικών πομπών και δεκτών

• Χαρτογράφηση ινών ή μήκους κύματος

Μέχρι να δημοσιευθεί η πλήρης προδιαγραφή MSA, το ακριβές εύρος ζώνης της μονάδας, τα όρια ισχύος, οι εκχωρήσεις συνδέσεων και οι μηχανικές διαστάσεις θα πρέπει να αντιμετωπίζονται ως εξαρτώμενες από την υλοποίηση και όχι ως καθολικές προδιαγραφές XPO.

Ενσωματωμένη Υγρή Ψύξη

Το XPO τοποθετεί υγρή ψύξη μέσα στην αρχιτεκτονική της μονάδας με δυνατότητα σύνδεσης.

Αυτή είναι μια θεμελιώδης αλλαγή από τις συμβατικές αερόψυκτες μονάδες. Το σύστημα ψύξης πρέπει να λειτουργεί μαζί με:

• Ηλεκτρικές επαφές

• Οπτικές διεπαφές

• Διατήρηση ενότητας

• Συνδέσεις διαχείρισης

• Διαδικασίες εισαγωγής και αφαίρεσης

• Πρόσβαση στην υπηρεσία

Η υγρή ψύξη εισάγει πρόσθετες μηχανικές απαιτήσεις, όπως:

• Αξιόπιστες συνδέσεις υγρών

• Πρόληψη και ανίχνευση διαρροών

• Ευθυγράμμιση blind-mate

• Συμβατότητα ψυκτικού

• Έλεγχος πτώσης πίεσης

• Δύναμη εισαγωγής μονάδας

• Διαδικασίες συντήρησης

Η διεπαφή ψύξης γίνεται μέρος του μοντέλου σέρβις της μονάδας και όχι μόνο μέρος του πλαισίου του διακόπτη.

Το XPO δεν σημαίνει εξωτερική σύνδεση με λέιζερ

Η επίσημη επέκταση του XPO είναιΕξαιρετικά πυκνά συνδεόμενα οπτικά.

Ένα εξωτερικό λέιζερ μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μια συγκεκριμένη οπτική υλοποίηση, αλλά δεν είναι το καθοριστικό χαρακτηριστικό του XPO.

Ο σωστός τυποποιημένος όρος για το αντικαταστάσιμο εξωτερικό λέιζερ που χρησιμοποιείται κυρίως με το CPO είναιΕΛΣΦΠ, ή Εξωτερικό Laser Small Form-Factor Pluggable.

Οφέλη λειτουργικότητας και προστιθέμενη πολυπλοκότητα

Το XPO παρέχει το σαφέστερο μοντέλο αντικατάστασης πεδίου μεταξύ των τριών αρχιτεκτονικών.

Μια αποτυχημένη μονάδα μπορεί να αφαιρεθεί από τον μπροστινό πίνακα χωρίς αντικατάσταση του διακόπτη ASIC ή χωρίς πρόσβαση σε έναν εσωτερικό οπτικό κινητήρα.

Ωστόσο, η δυνατότητα σύνδεσης με υγρόψυκτο είναι μηχανικά πιο απαιτητική από την αντικατάσταση της συμβατικής μονάδας. Ένα ολοκληρωμένο σχέδιο μπορεί να χρειαστεί να συνδεθεί και να αποσυνδεθεί:

• Ηλεκτρικές λωρίδες υψηλής ταχύτητας

• Επαφές ισχύος

• Σήματα διαχείρισης

• Οπτικές ίνες

• Θύρες υγρής ψύξης

• Μηχανικά χαρακτηριστικά συγκράτησης

Όλες οι διεπαφές πρέπει να παραμένουν αξιόπιστες σε επαναλαμβανόμενους κύκλους εισαγωγής και αφαίρεσης.

CPO vs NPO vs XPO: Side-by-Side Engineering Comparison

Τοποθεσία ενσωμάτωσης και ηλεκτρική απόσταση

Το CPO παρέχει τη συντομότερη ηλεκτρική διαδρομή τοποθετώντας οπτική μετατροπή μέσα στο περιβάλλον σε επίπεδο πακέτου.

Το NPO επιτρέπει μια μεγαλύτερη διαδρομή μεταξύ του πακέτου και ενός κοντινού κινητήρα που είναι τοποθετημένος στην πλακέτα.

Το XPO διατηρεί την ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ του ASIC και της μονάδας του μπροστινού πίνακα.

Η πραγματική απόσταση ποικίλλει ανάλογα με την υλοποίηση, επομένως τα ονόματα των αρχιτεκτονικών δεν πρέπει να μετατρέπονται σε καθολικές προδιαγραφές φυσικού μήκους.

Ανταλλαγές ισχύος, ψύξης και ακεραιότητας σήματος

Το CPO προσφέρει το ισχυρότερο δυναμικό μείωσης της ισχύος ηλεκτρικής διεπαφής, αλλά δημιουργεί την υψηλότερη θερμική συγκέντρωση γύρω από το πακέτο ASIC.

Το NPO παρέχει μεγαλύτερο διαχωρισμό μεταξύ του ASIC και των οπτικών κινητήρων, ενώ παράλληλα μειώνει την εμβέλεια των PCB.

Το XPO διατηρεί την αντικατάσταση της μονάδας, αλλά συγκεντρώνει σημαντική λειτουργικότητα και θερμότητα μέσα στον παράγοντα μορφής του μπροστινού πίνακα.

Όρια λειτουργικότητας και αστοχίας

Το όριο αντικατάστασης διαφέρει σημαντικά:

• CPO:συγκρότημα συσκευασίας ή εσωτερικός οπτικός κινητήρας

• NPO:εσωτερικός κινητήρας, πρίζα ή θυγατρική πλακέτα

• XPO:μονάδα μπροστινού πίνακα

Οι μηχανικοί πρέπει να αξιολογούν όχι μόνο εάν ένα εξάρτημα μπορεί να αντικατασταθεί τεχνικά, αλλά και πού γίνεται η επισκευή, ποια εργαλεία απαιτούνται και πόσο μέρος του συστήματος πρέπει να τεθεί εκτός λειτουργίας.

Πολυπλοκότητα συσκευασίας και κατασκευαστική ιδιοκτησία

• Συσκευασία ημιαγωγών

• Φωτονική πυριτίου

• Υποστρώματα συσκευασίας

• Οπτικό εξάρτημα

• Θερμικός σχεδιασμός σε επίπεδο συσκευασίας

• Σχεδιασμός κεντρικού πίνακα

• Σύντομες ηλεκτρικές διεπαφές

• Εσωτερική προσάρτηση οπτικού κινητήρα

• Δρομολόγηση ινών

• Ψύξη σε επίπεδο σανίδας

• Συσκευασία μονάδας υψηλής πυκνότητας

• Ενσωμάτωση υγρής ψύξης

• Παροχή ισχύος υψηλού ρεύματος

• Πυκνές ηλεκτρικές και οπτικές διεπαφές

• Μηχανική μπροστινού πίνακα

Πώς αλλάζει το Μεταποιητικό Οικοσύστημα

CPO: Advanced Packaging and Silicon Photonics

Το CPO απαιτεί στενό συντονισμό μεταξύ του σχεδιασμού ASIC, της φωτονικής ολοκλήρωσης, του σχεδιασμού υποστρώματος, της ηλεκτρικής συσκευασίας, της οπτικής προσάρτησης, της θερμικής διαχείρισης και των δοκιμών.

Η διαχείριση πολλών τομέων απόδοσης πρέπει να γίνεται μαζί. Ένα ολοκληρωμένο συγκρότημα μπορεί να περιέχει έναν διακόπτη υψηλής αξίας ASIC, αρκετούς οπτικούς κινητήρες, φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα, προγράμματα οδήγησης, δέκτες, ζεύκτες ινών και δομές ψύξης.

Οι γνωστές δοκιμές καλής ποιότητας, οι κινητήρες με πρίζα, τα εξωτερικά λέιζερ, οι πλεονασμοί και τα διαγνωστικά σε επίπεδο πακέτου μπορούν να μειώσουν τον κίνδυνο, αλλά προσθέτουν επίσης κόστος και πολυπλοκότητα.

NPO: Ενοποίηση πλακέτας και εσωτερική οπτική ευθυγράμμιση

Το NPO διατηρεί τον οπτικό κινητήρα έξω από τη συσκευασία ενώ τον μετακινεί μέσα στο διακόπτη.

Οι προτεραιότητες κατασκευής περιλαμβάνουν σύντομα κανάλια PCB, ηλεκτρικές μεταβάσεις χαμηλών απωλειών, εσωτερικές συνδέσεις κινητήρα, δρομολόγηση ινών, ψύξη σε επίπεδο πλακέτας, οπτική ευθυγράμμιση, πρόσβαση σέρβις και δυνατότητα δοκιμής κινητήρα.

Το NPO μειώνει ορισμένους περιορισμούς σε επίπεδο πακέτου, αλλά δημιουργεί μια πιο εξειδικευμένη πλακέτα συστήματος.

XPO: Ενσωμάτωση μονάδων και υγρή ψύξη

Το XPO διατηρεί την οπτική μονάδα ως ξεχωριστό προϊόν, αλλά οι απαιτούμενες δυνατότητες εκτείνονται πέρα ​​από τα συμβατικά βύσματα.

Η μονάδα πρέπει να συνδυάζει ηλεκτρική διεπαφή υψηλού αριθμού λωρίδων, σημαντική παροχή ισχύος, υγρή ψύξη, πυκνή οπτική συνδεσιμότητα, διαχείριση της μονάδας και δυνατότητα μηχανικής συντήρησης.

Η κεντρική πρόκληση είναι η διατήρηση ενός αντικαταστάσιμου ορίου μονάδας ενσωματώνοντας παράλληλα σημαντικά περισσότερη ηλεκτρική, οπτική και θερμική λειτουργικότητα σε αυτό το όριο.

Συνέπειες για MPO, συστοιχίες ινών και οπτική σύζευξη επιπέδου chip

Το CPO, το NPO και το XPO δεν εξαλείφουν την ανάγκη για συνδεσιμότητα οπτικών ινών. Αλλάζουν πού γίνεται η σύνδεση και ποια πυκνότητα, ακρίβεια και μηχανικά χαρακτηριστικά απαιτούνται.

Πώς το CPO, το NPO και το XPO αλλάζουν τη συνδεσιμότητα οπτικών ινών

XPO και συνδεσιμότητα πολλαπλών ινών υψηλής πυκνότητας

Μια ηλεκτρική διεπαφή με δυνατότητα σύνδεσης 64 λωρίδων δημιουργεί μεγάλη ανάγκη για οργανωμένη οπτική δρομολόγηση υψηλής πυκνότητας.

• Πολυπλεξία μήκους κύματος

• Διπλή αρχιτεκτονική

• Οπτική διαμόρφωση

• Εκταση

• Χαρτογράφηση λωρίδας

• Σχεδιασμός συνδετήρων

Τα σχετικά ζητήματα σύνδεσης και καλωδίου περιλαμβάνουν:

• Αποτύπωμα σύνδεσης

• Πολικότητα ινών

• Απώλεια εισαγωγής και επιστροφής

• Πρόσβαση καθαρισμού

• Κατεύθυνση εξόδου καλωδίου

• Δρομολόγηση γύρω από τη δομή ψύξης

• Μηχανική καταπόνηση κατά την αντικατάσταση

• Συγκράτηση συνδετήρα

Οι διεπαφές τύπου MPO είναι κατάλληλες για τυποποιημένη συνδεσιμότητα πολλαπλών ινών, αλλά η τελική διαμόρφωση σύνδεσης πρέπει να ακολουθεί την ολοκληρωμένη προδιαγραφή XPO και την οπτική υλοποίηση.

Θερμικές και μηχανικές απαιτήσεις γύρω από τις υγρόψυκτες μονάδες

Τα συγκροτήματα ινών κοντά σε μια υγρόψυκτη μονάδα πρέπει να συνυπάρχουν με θύρες υγρού, ψυχρές πλάκες, επαφές ισχύος, ηλεκτρικούς συνδετήρες υψηλής ταχύτητας, μηχανισμούς εκτίναξης και δομές συγκράτησης του μπροστινού πίνακα.

• Διαχείριση ακτίνας κάμψης

• Δρομολόγηση καλωδίων

• Προσβασιμότητα σύνδεσης

• Βρόχοι υπηρεσιών

• Ανακούφιση καταπόνησης

• Θερμική διαστολή

• Μηχανικό διάκενο

Οι γενικές κατηγορίες θερμοκρασίας ή οι απαιτήσεις υλικού τζάκετ δεν θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη πριν διατεθούν οι προδιαγραφές της τελικής μονάδας και του συστήματος.

Οπτικές συνδέσεις CPO και NPO Shift μέσα στο διακόπτη

Όταν οι οπτικοί κινητήρες πλησιάζουν το ASIC, μέρος της οπτικής σύνδεσης που περιείχε προηγουμένως μέσα σε έναν πομποδέκτη μπροστινού πίνακα γίνεται μια εσωτερική οπτική διασύνδεση.

• Εσωτερικές ιμάντες ινών

• Συμπαγείς συνδέσεις πολλαπλών ινών

• Μονάδες συστοιχίας ινών

• Δομές δρομολόγησης χαμηλού προφίλ

• Κοτσιδάκια οπτικού κινητήρα

• Συγκροτήματα ζεύξης σε επίπεδο τσιπ

Το CPO μπορεί να απαιτεί μικρότερες ή περισσότερες συμβατές με το πακέτο οπτικές διεπαφές από τις συμβατικές υποδοχές μπροστινού πίνακα. Η προτιμώμενη διεπαφή εξαρτάται από τον διαθέσιμο χώρο, τον αριθμό ινών, τον προϋπολογισμό απώλειας, τη δυνατότητα συντήρησης και τη διαδικασία συναρμολόγησης.

Συστοιχίες ινών, V-Grooves και Microlenses

ΕΝΑσυστοιχία ινώντοποθετεί πολλαπλές ίνες σε ελεγχόμενο βήμα, έτσι ώστε να μπορούν να συζευχθούν σε ένα φωτονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα.

ΕΝΑV-αυλάκιΗ δομή εντοπίζει μηχανικά τις ίνες και βοηθά στη διατήρηση της σχετικής ευθυγράμμισής τους.

ΕΝΑσυστοιχία μικροφακώνμπορεί να εστιάσει, να συγκρουστεί ή να αναδιαμορφώσει τις οπτικές δέσμες μεταξύ των ινών και του φωτονικού τσιπ.

• Σύνδεσμος άκρων

• Σύζευξη σχάρας

• Διεπαφές διευρυμένης δέσμης

• Αφαιρούμενες οπτικές συνδέσεις

• Μόνιμα προσαρτημένες μονάδες συστοιχίας ινών

Η απαιτούμενη ανοχή ευθυγράμμισης και η απόδοση σύζευξης εξαρτώνται από τον οπτικό τρόπο λειτουργίας, τη δομή του κυματοδηγού, τη γεωμετρία του φακού, το υλικό προσάρτησης και τη θερμοκρασία λειτουργίας.

Σύζευξη ινών, V-Groove και Microlens σε ένα τσιπ φωτονικής πυριτίου

Πώς να επιλέξετε μεταξύ CPO, NPO και XPO

Καμία ενιαία αρχιτεκτονική δεν είναι βέλτιστη για κάθε διακόπτη.

Επιλέξτε με βάση την ηλεκτρική απόδοση και τον προϋπολογισμό ισχύος

Το CPO είναι ο ισχυρότερος υποψήφιος όταν η ελαχιστοποίηση της ηλεκτρικής εμβέλειας και η ισχύς διεπαφής είναι η κυρίαρχη απαίτ