Eficiência energética em óptica co-embalada

Introdução

À medida que as taxas de dados continuam a ultrapassar os 800G e a atingir velocidades multiterabit, a eficiência energética está se tornando uma preocupação fundamental para as operadoras de rede, os hiperescaladores e os ambientes de computação de IA. Um estudo recente da Resolute Photonics destaca as diferenças drásticas no consumo de energia por bit em diferentes arquiteturas de interconexão óptica. A óptica tradicional de placa frontal plugável (FPP) é cada vez mais desafiada a atender às demandas por maior largura de banda e eficiência energética. Isso levou ao desenvolvimento da óptica quase empacotada (NPO) e da óptica co-empacotada (CPO), que oferecem soluções promissoras para esses desafios.

 

Transição de FPP para NPO e CPO

A óptica FPP envolve a conexão de ASICs (Application-Specific Integrated Circuits, circuitos integrados específicos do aplicativo) de switch a módulos ópticos plugáveis no painel frontal por meio de traços elétricos na placa de circuito impresso (PCB). À medida que as taxas de dados aumentam, esses caminhos elétricos mais longos resultam em maior consumo de energia e problemas de integridade de sinal.

O NPO aborda alguns desses desafios colocando os módulos ópticos mais próximos dos ASICs de switch, reduzindo o comprimento dos traços elétricos e, assim, melhorando a integridade do sinal e reduzindo o consumo de energia. Entretanto, o NPO ainda depende de módulos ópticos separados, o que pode limitar o potencial de maior integração e ganhos de eficiência.

O CPO leva a integração um passo adiante, colocando os mecanismos ópticos próximos, ou até mesmo dentro, do mesmo pacote dos ASICs de switch. Essa abordagem minimiza o comprimento do caminho elétrico entre o ASIC e os componentes ópticos, reduzindo significativamente o consumo de energia e melhorando o desempenho. O CPO representa uma solução mais integrada em comparação com o NPO, oferecendo maior potencial de eficiência energética e melhorias de desempenho.

A eficiência energética dessas tecnologias de interconexão varia significativamente. Uma tendência clara surge quando se analisa o consumo de energia por bit (picojoules por bit - pJ/bit) nessas tecnologias de interconexão

 

Comparação de eficiência energética

• Ótica FPP: Na arquitetura FPP, os módulos são inseridos nas placas frontais do switch, o que exige longos traços elétricos até o chip. Os traços elétricos mais longos entre o ASIC do switch e a óptica plugável do painel frontal exigem SerDes (serializador/desserializador) de alta potência para manter a integridade do sinal. Essa configuração pode resultar em um consumo substancial de energia, especialmente à medida que as taxas de dados aumentam. O consumo médio de energia da óptica FPP é de cerca de 20 pJ/bit.
• NPO: Ao posicionar os módulos ópticos mais próximos dos ASICs de comutação, o NPO reduz o comprimento dos traços elétricos, levando a uma melhor integridade do sinal e a um consumo de energia moderadamente menor em comparação com o FPP. No entanto, como a NPO ainda depende de módulos ópticos separados, o potencial de melhorias na eficiência energética é limitado em comparação com abordagens mais integradas. A NPO é vista como um trampolim entre a FPP e a adoção total da CPO.
• CPO: A arquitetura CPO consegue uma economia significativa de energia ao integrar os mecanismos ópticos diretamente com os ASICs de switch. Essa estreita integração elimina os traços elétricos, reduzindo a necessidade de SerDes que consomem muita energia. As primeiras implementações do CPO demonstraram reduções significativas no consumo de energia para menos de 5 pJ por bit, o que representa até quatro vezes a eficiência energética em relação à óptica plugável. Isso é essencial para a futura arquitetura de rede de 1,6 Tbps, 3,2 Tbps e além.

À medida que as arquiteturas de data center avançam para velocidades de comutação de 51,2 TB, o setor enfrenta desafios crescentes de consumo de energia. A óptica plugável tradicional continua a aumentar a demanda de energia, tornando a eficiência energética uma preocupação fundamental. Um estudo recente que comparou transceptores 4x 800G com um chiplet SiPh CPO destaca a economia significativa de energia possibilitada pela óptica co-embalada (CPO). Um gráfico de pizza detalhando o consumo de energia em velocidades de 51,2 TB reforça ainda mais por que o CPO é o futuro da rede de alta velocidade.

Com 51,2 TB, diferentes componentes do sistema contribuem para o consumo geral de energia. As principais categorias incluem:

• Energia ASIC - A carga computacional primária do switch.
• CPU, tempo e outros - Funções de processamento de suporte.
• Ótica - Energia necessária para a transmissão do sinal.
• Fornecimento de energia - A infraestrutura necessária para distribuir energia.
• Potência do ventilador - Demandas de energia do sistema de resfriamento.

O CPO reduz drasticamente o consumo de energia óptica, contribuindo para uma redução geral de energia em todo o sistema de 25%-30%.

 

Implicações para hiperscaladores e clusters de IA

O aumento da eficiência energética em interconexões ópticas tem implicações significativas para data centers em hiperescala e clusters de IA. A eficiência energética aprimorada permite maiores densidades de largura de banda, possibilitando que os data centers dimensionem suas operações para atender às crescentes demandas de dados sem aumentar proporcionalmente o consumo de energia e a geração de calor. A redução do consumo de energia leva a custos operacionais menores, incluindo economia nas contas de energia e na infraestrutura de resfriamento.

 

O papel da SENKO na viabilização de interconexões ópticas com eficiência energética

A SENKO Advanced Components tem sido fundamental no desenvolvimento de soluções inovadoras para melhorar a eficiência energética das interconexões ópticas. A empresa se concentra na criação de conectores e componentes ópticos avançados que facilitam a transmissão eficiente de dados, minimizando a perda de energia. O compromisso da SENKO com a pesquisa e o desenvolvimento de tecnologias ópticas contribui para a adoção mais ampla de soluções de interconexão com eficiência energética em centros de dados e ambientes de computação de alto desempenho.

 

Conclusão

A evolução do FPP para o NPO e o CPO representa um avanço significativo na tecnologia de interconexão óptica, com o CPO oferecendo melhorias substanciais na eficiência energética. Esses desenvolvimentos são cruciais para hiperescaladores e clusters de IA que visam melhorar o desempenho, a escalabilidade e a sustentabilidade em uma era de crescimento exponencial de dados.