Energieeffizienz in Co-Packaged-Optik

Einführung

Da die Datenübertragungsraten immer weiter über 800G hinausgehen und in den Multi-Terabit-Bereich vordringen, wird die Energieeffizienz zu einem wichtigen Thema für Netzwerkbetreiber, Hyperscaler und KI-Computing-Umgebungen. Eine aktuelle Studie von Resolute Photonics zeigt die dramatischen Unterschiede im Energieverbrauch pro Bit bei verschiedenen optischen Verbindungsarchitekturen auf. Herkömmliche Front Plate Pluggable (FPP)-Optiken stehen zunehmend vor der Herausforderung, die Anforderungen an höhere Bandbreiten und Energieeffizienz zu erfüllen. Dies hat zur Entwicklung von Near Packaged Optics (NPO) und Co-Packaged Optics (CPO) geführt, die vielversprechende Lösungen für diese Herausforderungen bieten.

 

Übergang von FPP zu NPO und CPO

Bei der FPP-Optik werden anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs) über elektrische Leiterbahnen auf der Leiterplatte (PCB) mit steckbaren optischen Modulen an der Frontplatte verbunden. Da die Datenraten steigen, führen diese längeren elektrischen Pfade zu einem höheren Stromverbrauch und zu Problemen mit der Signalintegrität.

NPO geht einige dieser Herausforderungen an, indem es optische Module näher an den Switch-ASICs platziert, die Länge der elektrischen Leiterbahnen reduziert und dadurch die Signalintegrität verbessert und den Stromverbrauch verringert. NPO beruht jedoch immer noch auf separaten optischen Modulen, was das Potenzial für weitere Integrations- und Effizienzsteigerungen einschränken kann.

CPO geht bei der Integration noch einen Schritt weiter, indem optische Engines in der Nähe oder sogar im selben Gehäuse wie die Switch-ASICs untergebracht werden. Dieser Ansatz minimiert die elektrische Weglänge zwischen dem ASIC und den optischen Komponenten, was den Stromverbrauch erheblich reduziert und die Leistung verbessert. CPO stellt im Vergleich zu NPO eine stärker integrierte Lösung dar, die ein größeres Potenzial für Energieeffizienz und Leistungsverbesserungen bietet.

Die Energieeffizienz dieser Verbindungstechnologien ist sehr unterschiedlich. Bei der Analyse des Energieverbrauchs pro Bit (Picojoule pro Bit - pJ/Bit) über diese Verbindungstechnologien hinweg zeichnet sich ein klarer Trend ab

 

Vergleich der Energieeffizienz

• FPP-Optik: Bei der FPP-Architektur werden die Module in die Switch-Faceplates eingesetzt, was lange elektrische Leiterbahnen zum Chip erfordert. Die längeren elektrischen Leiterbahnen zwischen dem Switch-ASIC und der steckbaren Frontplattenoptik erfordern Hochleistungs-SerDes (Serializer/Deserializer), um die Signalintegrität zu gewährleisten. Diese Konfiguration kann zu einem erheblichen Stromverbrauch führen, insbesondere wenn die Datenraten steigen. Der durchschnittliche Stromverbrauch für FPP-Optik beträgt etwa 20 pJ/Bit.
• NPO: Durch die Positionierung der optischen Module näher an den Switch-ASICs reduziert NPO die Länge der elektrischen Leiterbahnen, was zu einer verbesserten Signalintegrität und einem geringfügig niedrigeren Stromverbrauch im Vergleich zu FPP führt. Da NPO jedoch immer noch auf separaten optischen Modulen beruht, ist das Potenzial für Verbesserungen der Energieeffizienz im Vergleich zu stärker integrierten Ansätzen begrenzt. NPO wird als Sprungbrett zwischen FPP und der vollständigen Einführung von CPO gesehen.
• CPO: Die CPO-Architektur ermöglicht erhebliche Energieeinsparungen durch die Integration von optischen Engines direkt in die Switch-ASICs. Durch diese enge Integration werden elektrische Leiterbahnen eliminiert und der Bedarf an stromintensiven SerDes verringert. Erste CPO-Implementierungen haben eine erhebliche Senkung des Stromverbrauchs auf weniger als 5 pJ pro Bit gezeigt, was einer bis zu viermal höheren Energieeffizienz als bei steckbaren Optiken entspricht. Dies ist für künftige Netzwerkarchitekturen mit 1,6 TBit/s, 3,2 TBit/s und darüber hinaus von entscheidender Bedeutung.

Da die Architekturen von Rechenzentren auf Schaltgeschwindigkeiten von 51,2 TB zusteuern, steht die Branche vor wachsenden Herausforderungen in Bezug auf den Stromverbrauch. Herkömmliche steckbare Optiken erhöhen weiterhin den Strombedarf und machen die Energieeffizienz zu einem wichtigen Thema. Eine kürzlich durchgeführte Studie, in der 4x 800G-Transceiver mit einem SiPh CPO-Chiplet verglichen wurden, verdeutlicht die erheblichen Stromeinsparungen, die durch Co-Packaged Optics (CPO) möglich sind. Ein Tortendiagramm, das den Stromverbrauch bei 51,2 TB-Geschwindigkeiten aufschlüsselt, unterstreicht, warum CPO die Zukunft der Hochgeschwindigkeitsnetzwerke ist.

Bei 51,2 TB tragen verschiedene Systemkomponenten zum Gesamtstromverbrauch bei. Zu den wichtigsten Kategorien gehören:

• ASIC-Leistung - Die primäre Rechenlast des Schalters.
• CPU, Timing & Sonstiges - Unterstützende Verarbeitungsfunktionen.
• Optik - Für die Signalübertragung erforderliche Leistung.
• Stromlieferung - Die für die Verteilung der Energie erforderliche Infrastruktur.
• Ventilatorleistung - Energiebedarf des Kühlsystems.

CPO reduziert den Stromverbrauch der Optik drastisch und trägt damit zu einer systemweiten Stromreduzierung von 25%-30% bei.

 

Auswirkungen auf Hyperscaler und KI-Cluster

Eine verbesserte Energieeffizienz bei optischen Verbindungen hat erhebliche Auswirkungen auf Hyperscale-Rechenzentren und KI-Cluster. Eine verbesserte Energieeffizienz ermöglicht eine höhere Bandbreitendichte, so dass Rechenzentren ihren Betrieb skalieren können, um den steigenden Datenanforderungen gerecht zu werden, ohne dass der Stromverbrauch und die Wärmeentwicklung proportional ansteigen. Ein geringerer Stromverbrauch führt zu niedrigeren Betriebskosten, einschließlich Einsparungen bei den Energierechnungen und der Kühlungsinfrastruktur.

 

Die Rolle von SENKO bei der Ermöglichung energieeffizienter optischer Verbindungen

SENKO Advanced Components ist maßgeblich an der Entwicklung innovativer Lösungen zur Verbesserung der Energieeffizienz von optischen Verbindungen beteiligt. Das Unternehmen konzentriert sich auf die Entwicklung fortschrittlicher optischer Steckverbinder und Komponenten, die eine effiziente Datenübertragung bei gleichzeitiger Minimierung der Verlustleistung ermöglichen. Das Engagement von SENKO in der Forschung und Entwicklung optischer Technologien trägt dazu bei, dass sich energieeffiziente Verbindungslösungen in Rechenzentren und Hochleistungscomputerumgebungen durchsetzen.

 

Schlussfolgerung

Die Entwicklung von FPP zu NPO und CPO stellt einen bedeutenden Fortschritt in der optischen Verbindungstechnologie dar, wobei CPO erhebliche Verbesserungen bei der Energieeffizienz bietet. Diese Entwicklungen sind von entscheidender Bedeutung für Hyperscaler und KI-Cluster, die in einer Zeit exponentiellen Datenwachstums die Leistung, Skalierbarkeit und Nachhaltigkeit verbessern wollen.