Der Aufstieg der Co-Packaged Optics (CPO): Revolutionierung der Hochgeschwindigkeits-Konnektivität

Was ist Co-Packaged Optics (CPO)?

Das explosionsartige Wachstum von künstlicher Intelligenz (KI), High-Performance Computing (HPC), maschinellem Lernen (ML) und Hyperscale-Rechenzentren stößt an die Grenzen der herkömmlichen Netzwerkinfrastruktur. Da die Datenübertragungsraten auf 800G und darüber hinaus steigen, haben bestehende steckbare Transceiver Probleme, mit den Anforderungen an Energieeffizienz und Dichte Schritt zu halten. Um diese Herausforderungen zu meistern, wendet sich die Branche der CoPackaged Optics (CPO) zu, einem innovativen Ansatz, der die Glasfaser direkt auf den Chip bringt und so eine unvergleichliche Leistung ermöglicht. Co-Packaged Optics (CPO) ist eine neue Technologie, bei der optische Komponenten direkt mit Switch-ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) in einem einzigen Gehäuse integriert werden. Diese bahnbrechende Technologie wird die Zukunft der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung neu definieren.

 

Marktwachstumstreiber für CPO

Die rasche Verbreitung von künstlicher Intelligenz (KI) und großen Sprachmodellen (LLM) führt zu einer unstillbaren Nachfrage nach höherer Bandbreite und effizienteren Netzwerklösungen. Die explosionsartige Zunahme von generativen KI-Modellen wie ChatGPT, Llama, Claude und Gemini erfordert eine enorme verteilte Rechenleistung und ultraschnelle Datenübertragungen zwischen den Verarbeitungseinheiten. Die Zunahme von LLMs und KI-gesteuerten Workloads, einschließlich Deep Learning, autonomen Fahrzeugen und Echtzeitanalysen, erfordert die sofortige Verarbeitung großer Datenmengen in einer skalierbaren Netzwerkinfrastruktur. Diese Modelle erfordern ultraschnelle Verbindungen, bei denen herkömmliche optische Transceiver an erhebliche Grenzen stoßen. Mit zunehmender Komplexität der KI-Modelle wird der Einsatz von CPO immer wichtiger, um die Leistung und Skalierbarkeit aufrechtzuerhalten.

Modelle für maschinelles Lernen (ML), insbesondere solche, die in den Bereichen Finanzdienstleistungen, Gesundheitswesen und Cybersicherheit eingesetzt werden, sind auf schnelle Datenübertragungen mit hoher Bandbreite zwischen den Verarbeitungseinheiten für Training und Inferenz angewiesen. Unternehmen wie NVIDIA, Google und Microsoft sind in diesem Bereich führend, indem sie riesige KI-Cluster einsetzen, die hochmoderne Netzwerklösungen erfordern. Training und Inferenz komplexer ML-Modelle erfordern verteilte Architekturen mit nahtlosem Datentransfer zwischen miteinander verbundenen Grafikprozessoren (GPUs) und Tensor-Prozessoren (TPUs).

Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Hochleistungsinformatik (HPC). Wissenschaftliche Forschung, Klimamodellierung, Genomik und Simulationen für technische Anwendungen erfordern unvergleichliche Datenübertragungsgeschwindigkeiten. Herkömmliche Netzwerklösungen können mit den Anforderungen dieser Arbeitslasten nur schwer Schritt halten, was CPO zu einer attraktiven Alternative macht. Einrichtungen wie die NASA, das CERN und große Universitäten auf der ganzen Welt verlassen sich auf HPC, um komplexe Simulationen und große Datensätze zu verarbeiten.

Hyperscale-Rechenzentren erleben ein exponentielles Wachstum, da Cloud-Anbieter ihre globale Infrastruktur ausbauen. Unternehmen wie Amazon Web Services (AWS), Microsoft Azure und Google Cloud stoßen an die Grenzen der Rechenzentrumsarchitekturen, um ein noch nie dagewesenes Datenaufkommen zu bewältigen. Diese Hyperscale-Rechenzentren erfordern hocheffiziente, skalierbare Netzwerklösungen, um die Leistung aufrechtzuerhalten und die Betriebskosten zu senken, was CPO zu einer wichtigen Komponente zukünftiger Designs macht.

Engpässe bei herkömmlichen steckbaren Transceivern

Steckbare Transceiver sind seit langem das Rückgrat der optischen Hochgeschwindigkeitsverbindungen, aber sie werden zu einem begrenzenden Faktor, da die Bandbreitenanforderungen weiter steigen. Eine der größten Herausforderungen ist die Verwendung längerer elektrischer Leiterbahnen zwischen dem Switch-ASIC und den optischen Modulen, was zu Signalverschlechterung und erhöhter Latenz führt. Wenn die Datengeschwindigkeiten 800G überschreiten und sich 1,6T nähern, werden diese Ineffizienzen noch deutlicher.

Im Gegensatz zu herkömmlichen steckbaren Transceivern, die auf elektrischen Verbindungen zwischen Switches und optischen Modulen beruhen, reduziert CPO die Notwendigkeit langer elektrischer Leitungen, die zu Latenzzeiten und Signalverschlechterungen führen.

 

Minimierung von Stromverbrauch, Wärmeentwicklung und Signalverschlechterung. Dieser Durchbruch wird die Zukunft der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung in Hyperscale-Rechenzentren (DCs) neu definieren. Ein weiteres großes Problem ist der Stromverbrauch, da externe steckbare Optiken einen höheren Strombedarf haben und die Betriebskosten erhöhen. Die steckbaren Transceiver erfordern eine Signalverstärkung und Fehlerkorrektur, was zu einer höheren Leistungsaufnahme und einer stärkeren Wärmeentwicklung führt. Dies führt zu erheblichen Herausforderungen bei der Kühlung von Rechenzentren, die kostspielige und komplexe Wärmemanagementsysteme implementieren müssen, um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten. Die Betreiber von Rechenzentren sehen sich aufgrund des begrenzten Platzes auf der Frontplatte von Switches mit zusätzlichen Einschränkungen konfrontiert, was die Anzahl der optischen Transceiver-Ports, die eingesetzt werden können, einschränkt.

 

Wie CPO diese Herausforderungen meistert

CPO ist ein Meilenstein in der Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsnetzwerken und bietet Lösungen für die Einschränkungen herkömmlicher optischer Transceiver. Durch die direkte Integration der Optik in die Switch-ASICs macht CPO lange elektrische Leitungen überflüssig, was den Stromverbrauch und den Signalverlust erheblich reduziert. Diese direkte Integration verbessert die Gesamteffizienz des Netzwerks und macht es zu einer energieeffizienteren Lösung für Hyperscale-Umgebungen.

Neben dem geringeren Stromverbrauch verbessert CPO auch die thermische Effizienz, indem es die lokale Wärmeentwicklung reduziert. Dies vereinfacht die Kühlungsanforderungen und senkt die Betriebskosten für Rechenzentren und ermöglicht eine nachhaltigere Infrastruktur. Darüber hinaus ermöglicht CPO eine höhere Portdichte, da keine steckbaren Transceiver auf der Vorderseite benötigt werden, wodurch Rechenzentren die Bandbreite effizienter skalieren können.

Einer der wichtigsten Vorteile von CPO ist seine Fähigkeit, die Netzwerkinfrastruktur zukunftssicher zu machen. Mit der weiteren Entwicklung von KI, ML und Hyperscale Computing werden Datenraten von mehr als 800G zum neuen Standard. CPO bietet die nötige Skalierbarkeit, um diese zukünftigen Anforderungen zu unterstützen, und stellt sicher, dass die Netzwerkinfrastruktur auch in den kommenden Jahren funktionsfähig bleibt.

 

Schlussfolgerung

Da KI, ML, HPC und Hyperscale-Rechenzentren die Grenzen der Datenverarbeitung und -übertragung immer weiter verschieben, entwickelt sich Co-Packaged Optics zu einer wichtigen Technologie für die Zukunftssicherheit der Netzwerkinfrastruktur. Mit der direkten Glasfaser-zu-Chip-Kopplungstechnologie können die Einschränkungen herkömmlicher steckbarer Transceiver überwunden werden. CPO wird die optische Hochgeschwindigkeitsvernetzung revolutionieren. SENKO treibt die Innovation und Einführung von CPO voran, indem es die nächste Generation optischer Verbindungslösungen entwickelt.