CPO vs optique enfichable : quels changements pour le câblage de l'IA ?

Les optiques co-packagées et les optiques enfichables résolvent le même problème de base à différents endroits. Les optiques enfichables maintiennent le module optique sur la plaque frontale du commutateur, préservant ainsi un modèle de service remplaçable à chaud familier. CPO rapproche beaucoup le moteur optique du commutateur ASIC, réduisant ainsi le chemin électrique à grande vitesse qui devient plus difficile à piloter efficacement à mesure que les taux SerDes augmentent.

Pour les réseaux IA et HPC, cette différence n’affecte pas seulement l’alimentation du commutateur. Cela change l'endroit où la fibre entre dans le système, la façon dont la densité du panneau avant est gérée, ce qui peut être remplacé sur le terrain et la façon dont les opérateurs envisagent le nettoyage, les budgets de perte, les pièces de rechange et la maintenance. Le CPO peut améliorer la densité de bande passante et réduire les pertes d’interconnexion électrique, mais il ne supprime pas le câblage fibre et ne rend pas automatiquement obsolètes les optiques enfichables.

CPO vs optique enfichable : la différence d'architecture

Le moyen le plus simple de comparer ces architectures est de poser une question : où se produit la conversion électrique-optique par rapport à l'ASIC hôte ?

Optiques enfichables traditionnelles basées sur DSP

Dans une conception enfichable conventionnelle, le commutateur ASIC envoie des signaux électriques à grande vitesse à travers la carte de circuit imprimé vers un module amovible situé sur la plaque frontale. Le module contient l'émetteur et le récepteur optiques ainsi que l'électronique nécessaire pour récupérer et conditionner le signal électrique.

Cette architecture reste attrayante sur le plan opérationnel car le module est une unité clairement remplaçable sur site. Une optique défectueuse peut normalement être retirée sans remplacer le commutateur ou la carte de ligne. Pour de nombreuses applications d'interconnexion d'entreprise, de cloud et de centres de données, ce modèle de service reste l'une des principales raisons d'utiliserémetteurs-récepteurs optiques enfichables.

Optique linéaire enfichable

Les optiques linéaires enfichables maintiennent le module optique sur le panneau avant mais réduisent ou suppriment certaines fonctions de traitement du signal à l'intérieur du module. L’objectif est de réduire la consommation du module tout en préservant le facteur de forme enfichable familier.

C’est une distinction importante : LPO n’est pas CPO. LPO modifie la façon dont le module du panneau avant gère le conditionnement du signal électrique ; CPO modifie la relation physique entre le moteur optique et l'ASIC hôte.

Optique proche de l'emballage

Les optiques proches du boîtier éloignent le moteur optique de la plaque frontale et le rapprochent de l'ASIC hôte, raccourcissant ainsi le chemin électrique sans intégrer complètement l'optique dans le même boîtier que le silicium du commutateur. Il se situe entre les plug-ins traditionnels et le co-packaging complet en termes d'intégration.

Optiques co-packagées

CPO place les moteurs optiques dans le même environnement de boîtier que le commutateur ASIC ou à proximité immédiate de celui-ci. Broadcom décrit sa plate-forme CPO comme une intégration hétérogène d'optique et de silicium sur un substrat conditionné, dans le but de réduire la perte de trajet et la puissance associées aux longues interconnexions électriques à haut débit. Son courantPrésentation de la plateforme CPOmontre également que le CPO peut être mis en œuvre dans le cadre de systèmes de mise en réseau à la fois évolutifs et évolutifs.

L'architecture n'est donc pas définie par une disposition mécanique universelle. Différents fournisseurs peuvent utiliser différentes stratégies de packaging, de fixation de fibre, de source laser et de connecteur tout en suivant le même principe de base : rapprocher l'optique du silicium de commutation afin que moins de signaux à vitesse la plus élevée doivent traverser électriquement le PCB.

Pourquoi les réseaux d'IA rapprochent l'optique de l'ASIC

À mesure que le débit des voies augmente, les canaux PCB deviennent plus difficiles à piloter. L'effet de peau, la perte diélectrique, la diaphonie, la perte de boîtier et les exigences d'égalisation augmentent tous le coût et la puissance nécessaires pour déplacer les signaux électriques entre l'ASIC et un module du panneau avant.

Ce problème est plus important dans les clusters d'IA, car les commutateurs à base élevée regroupent une énorme bande passante dans une zone de châssis limitée. Dans le même temps, le réseau partage la même enveloppe d’alimentation et de refroidissement que les GPU et autres matériels de calcul.

CPO résout ce problème en raccourcissant le chemin électrique et en déplaçant davantage d’interconnexions à haut débit vers le domaine optique. La gamme actuelle de commutateurs CPO de Broadcom comprend des systèmes basés sur 200G-SerDes, tandis que la gamme actuelle de commutateurs CPO de NVIDIAplateforme de mise en réseau photonique sur siliciumutilise également des optiques co-packagées avec des SerDes 200G pour les systèmes Ethernet et InfiniBand à l'échelle de l'IA.

Ces implémentations de fournisseurs montrent pourquoi CPO retient l'attention, mais leurs gains de puissance ou de fiabilité publiés ne doivent pas être traités comme des valeurs fixes pour chaque architecture. Les limites du système, les hypothèses de refroidissement, le placement du laser, la portée, la conception des commutateurs et le modèle de trafic peuvent tous modifier la comparaison.

CPO vs optique enfichable : qu'est-ce qui change réellement ?

Le CPO élimine-t-il le câblage fibre ?

Non. Le CPO change là où la conversion électrique-optique se produit ; il ne supprime pas le chemin optique entre les systèmes.

La fibre optique doit encore connecter les ports de commutation, les racks, les clusters, les champs de correctifs et autres points de terminaison du réseau. Dans une plate-forme CPO, le problème de câblage peut en fait devenir plus sensible car les fibres peuvent devoir pénétrer dans le châssis et atteindre des moteurs optiques beaucoup plus proches du boîtier de commutation.

Cela rend la conception deassemblages de câbles à fibres, les chemins de routage, les interfaces de connecteurs, les boucles de service, l'accès au nettoyage et le contrôle des courbures font partie de la conception du système CPO plutôt qu'une réflexion distincte après coup.

Le routage interne des fibres devient plus important

Dans un système enfichable, la plupart des accès aux services se font au niveau de la façade. Dans CPO, certains chemins de fibre peuvent s'étendre plus profondément dans le châssis. Le routage réel dépend de la plateforme, mais les questions d'ingénierie sont cohérentes :

• Le chemin de fibre interne peut-il maintenir le rayon de courbure minimum spécifié pour l'assemblage de câbles ?
• Les techniciens peuvent-ils atteindre des points de connexion réparables sans perturber les fibres adjacentes ?
• L’itinéraire évite-t-il les ventilateurs, les plaques froides, les arêtes vives et le matériel en mouvement ?
• Le châssis peut-il maintenir l'organisation de la fibre à mesure que le nombre de ports augmente ?

Ces questions sont importantes car l’architecture des connecteurs et des câbles est désormais plus étroitement liée à la conception mécanique du commutateur.

La densité des connecteurs remonte dans la liste des priorités

Les systèmes CPO à base élevée nécessitent une grande quantité d’E/S optiques dans une zone limitée du panneau avant. Cela crée une demande pour des systèmes de connecteurs multifibres compacts et de très petit facteur de forme, mais il n'existe pas de connecteur unique qui définisse toutes les implémentations CPO.

En fonction de la plate-forme, l'usine de fibre externe peut utiliser des interfaces duplex conventionnelles, des connecteurs multifibres, des assemblages de fibres détachables ou des formats de connecteurs haute densité plus récents. ExistantAssemblages de câbles MPO/MTPrestent pertinents lorsque la conception du commutateur ou du câblage structuré utilise des interfaces fibre parallèles ou à nombre élevé, mais ils ne doivent pas être considérés comme le connecteur de chaque système CPO.

La perte d'insertion et la réflexion sont toujours importantes

Chaque connecteur, adaptateur, épissure, cassette et interface optique interne consomme une partie du budget de liaison. Rapprocher le moteur optique de l’ASIC ne supprime pas ces pertes passives.

Pour les conceptions CPO, les ingénieurs doivent prendre en compte le chemin optique complet depuis le moteur optique jusqu'à la fibre interne, l'interface du châssis, le câblage structuré et le récepteur distant. Si plusieursconnecteurs de fibre optiqueet que des adaptateurs sont présents, leurs performances de perte d'insertion et de perte de réflexion spécifiées doivent être incluses dans le calcul du canal plutôt que remplacées par une allocation de connecteur générique.

Les adaptateurs et les interfaces Blind-Mate nécessitent un accès au service

Les plates-formes CPO peuvent utiliser des interfaces optiques détachables ou aveugles pour rendre pratique la fibre interne dense. Ces interfaces peuvent améliorer l'assemblage et la facilité d'entretien, mais elles font également de l'alignement, du contrôle de la contamination et de l'accès mécanique des facteurs de conception importants.

Lorsqu'un châssis utilise des interfaces optiques amovibles, le système d'accouplement doit être évalué avec les composants externes.adaptateurs fibre optiqueet l'architecture de correctifs afin que la maintenance ne dépende pas de points de connexion inaccessibles.

Les sources laser externes modifient le modèle de service

L’un des choix de conception CPO les plus importants concerne l’emplacement du laser. L'OIFCadre de co-packagingnote que les moteurs optiques photoniques au silicium peuvent utiliser des sources laser intégrées ou externes. Avec une source laser externe, le laser peut être placé dans un module de panneau avant remplaçable tandis qu'une lumière à onde continue est délivrée au moteur optique co-packagé.

Cela est important car le laser n’est plus automatiquement lié à la même unité remplaçable sur site que le commutateur ASIC. L'OIF identifie spécifiquement l'amélioration de la facilité d'entretien et de la séparation thermique comme avantages potentiels des architectures laser externes, tout en notant également la perte optique supplémentaire introduite par le chemin de délivrance du laser.

Certains systèmes CPO utilisent donccomposants de fibres à maintien de polarisationou d'autres chemins optiques contrôlés pour transmettre la lumière d'une source laser externe dans le boîtier. L'exigence exacte dépend de l'architecture du moteur optique et du laser plutôt que du CPO en tant que catégorie.

Facilité de maintenance : CPO modifie le domaine de défaillance

Les optiques enfichables présentent un avantage opérationnel simple : l'émetteur-récepteur est une petite unité standardisée remplaçable sur site. Si le module tombe en panne, les techniciens peuvent normalement remplacer ce module sans perturber le reste du commutateur.

CPO modifie ce modèle, mais cela ne signifie pas toujours que l'ensemble du châssis doit être remplacé. La limite du service dépend de la plateforme.

NVIDIA, par exemple, place les lasers dans des modules de source laser externes accessibles et utilise des interfaces à fibre détachables dans ses commutateurs photoniques au silicium. Broadcom utilise également des sources laser enfichables dans les systèmes CPO actuels. Ces conceptions visent à garantir le remplacement des composants à forte défaillance ou sensibles au service, même si le moteur optique lui-même est beaucoup plus étroitement intégré au silicium de commutation.

La question pratique qui se pose aux opérateurs n'est donc pas simplement « Le CPO est-il utilisable ? » C'est:

• Quels composants optiques sont remplaçables sur site ?
• Les lasers externes peuvent-ils être remplacés indépendamment ?
• Les assemblages de fibres peuvent-ils être déconnectés sans retirer la carte de ligne ?
• Que se passe-t-il si un moteur optique interne tombe en panne ?
• Quelle stratégie d’unités de rechange la plateforme nécessite-t-elle ?

Le CPO peut augmenter la dépendance à la plate-forme

Un écosystème enfichable standard donne aux opérateurs une grande liberté pour se procurer des modules compatibles séparément de la plate-forme de commutation. CPO intègre plus étroitement l'optique au silicium et au système mécanique, de sorte que le modèle d'approvisionnement peut devenir plus spécifique à la plate-forme.

Cela ne signifie pas que chaque conception de CPO crée le même niveau de dépendance vis-à-vis des fournisseurs. Des sources laser externes interopérables, des interfaces de gestion standardisées, des connecteurs optiques détachables et des interfaces fibre communes peuvent tous réduire cette dépendance. LeSpécification OIF CMIS 5.3, par exemple, comprend des dispositions de surveillance pour les sous-systèmes CPO et les entrées laser externes.

Pour les équipes d'approvisionnement, les questions pertinentes sont la prise en charge du cycle de vie, la disponibilité des unités de rechange, la compatibilité des connecteurs, la prise en charge de la surveillance et la question de savoir si les composants optiques peuvent être achetés ou entretenus indépendamment de la plate-forme de commutation.

Qui devrait se soucier du CPO maintenant ?

Réseaux IA et HPC hyperscale

Le CPO mérite une attention architecturale immédiate là où la base de commutation, les SerDes de classe 200G, la densité de puissance et la taille du cluster rendent les architectures enfichables sur le panneau avant difficiles à faire évoluer. Broadcom propose déjà des plates-formes de commutation CPO et NVIDIA a annoncé des systèmes Spectrum-X et Quantum-X basés sur CPO. Il ne s'agit donc plus seulement d'un concept de laboratoire.

Pour ces déploiements, les architectes réseau doivent évaluer le CPO en même temps que le refroidissement des commutateurs, les routes de fibre structurées, la densité des connecteurs, l'accès aux services laser externes et les procédures de maintenance au niveau du rack.

Centres de données 400G et 800G existants

La plupart des réseaux d'entreprise et cloud existants n'ont pas besoin d'être repensés autour du CPO simplement parce que la technologie existe. Les optiques enfichables restent matures, faciles à remplacer, largement interopérables et bien comprises par les équipes opérationnelles.

Pour ces environnements, le CPO est mieux traité comme une considération de feuille de route. Les équipes peuvent se préparer en améliorant la densité des fibres, en documentant les budgets de perte d'insertion, en standardisant des correctifs de haute qualité et en évitant les choix de câblage qui rendent inutilement difficiles les futures modifications au niveau du châssis.

CPO vs optique enfichable : une liste de contrôle de décision pratique

• Densité de bande passante :La densité des modules du panneau avant limite-t-elle la conception du commutateur ?
• Pouvoir:La puissance des canaux électriques et des modules enfichables limite-t-elle considérablement l'échelle du rack ?
• Refroidissement:La plate-forme peut-elle prendre en charge la conception thermique requise par une optique étroitement intégrée ?
• Facilité d'entretien :Quels composants optiques restent remplaçables sur site ?
• Routage fibre :Le châssis peut-il supporter une fibre interne dense sans enfreindre les exigences de courbure, d’accès ou de nettoyage ?
• Architecture du connecteur :Les interfaces optiques externes et internes sont-elles définies et prises en charge ?
• Budget du lien :Toutes les pertes optiques internes et externes ont-elles été incluses ?
• Cycle de vie:Le modèle de rechange, de réparation et de support du fournisseur de la plateforme est-il acceptable ?

Conclusion finale

Le CPO et les optiques enfichables ne doivent pas être traités comme un simple choix technologique entre l’ancienne et la nouvelle. Les optiques enfichables maintiennent le module optique sur la façade et préservent un modèle de service mature et remplaçable à chaud. CPO raccourcit le chemin électrique à vitesse la plus élevée en intégrant beaucoup plus étroitement l'optique au commutateur ASIC, améliorant ainsi les options d'évolutivité pour les systèmes à très large bande passante.

Le compromis réside dans un couplage plus étroit entre le silicium de commutation, les moteurs optiques, le refroidissement, les connecteurs et l'usine de fibre. Pour les centres de données IA, la question clé n’est donc pas de savoir si le CPO élimine le câblage fibre. C'est ainsi que l'architecture du câblage fibre optique doit changer lorsque la conversion optique passe d'un module amovible du panneau avant à la plate-forme de commutation elle-même.