CPO vs NPO vs XPO : architecture, alimentation, refroidissement et maintenabilité dans l'optique des centres de données IA

Les clusters d'IA obligent la bande passante des commutateurs, le nombre de voies optiques, la densité du panneau avant et la puissance du système à évoluer simultanément. À mesure que les tarifs des voies électriques augmentent, la connexion entre un commutateur ASIC et ses interfaces optiques devient de plus en plus difficile à concevoir. Les canaux PCB plus longs introduisent plus de pertes et nécessitent souvent une égalisation, un recalage ou un traitement numérique du signal plus forts.

CPO, NPO et XPO résolvent ce problème grâce à trois stratégies différentes de placement de moteur optique :

• CPOdéplace la conversion optique dans l’environnement au niveau du package du commutateur ASIC.

• OBNLplace les moteurs optiques à proximité de l'ASIC mais les conserve sur le PCB hôte.

• XPOconserve un module enfichable sur le panneau avant tout en augmentant la densité des voies électriques et en introduisant un refroidissement liquide au niveau du module.

Leur objectif commun est de réduire les limitations créées par la transmission électrique à grande vitesse. Cependant, chaque architecture répartit différemment l’énergie, la chaleur, les risques liés au conditionnement, la connectivité fibre et les responsabilités de maintenance.

Que sont les CPO, NPO et XPO ?

CPO place les moteurs optiques dans l'environnement au niveau du package de l'ASIC hôte, NPO les monte sur le PCB du système à proximité de l'ASIC et XPO conserve un module enfichable sur le panneau avant haute densité. Le principal compromis se situe entre la portée électrique, l'intégration du boîtier, la conception thermique et la facilité d'entretien sur le terrain.

LeCadre OIF CEI-448Gdéfinit CPO comme un dispositif électrique-optique monté sur le package hôte. Il définit le NPO comme un dispositif monté sur le PCB hôte à côté du silicium hôte pour minimiser les traces de PCB et les exigences de signalisation électrique.

Placement du moteur optique CPO vs NPO vs XPO

Des descriptions telles que « CPO à l'échelle micrométrique », « NPO à l'échelle centimétrique » et « éléments enfichables à l'échelle décimétrique » peuvent être utiles comme illustrations conceptuelles, mais elles ne constituent pas des limites de spécification universelles. La distance physique dépend de la conception du boîtier, de la carte, du connecteur et du châssis.

L’objectif commun : raccourcir le chemin électrique

Dans un commutateur conventionnel, l'ASIC est situé sur la carte système tandis que les émetteurs-récepteurs optiques sont installés sur le panneau avant. Les signaux électriques à grande vitesse doivent traverser les transitions du boîtier, les traces de PCB, les vias, les connecteurs et l'interface électrique du module avant que la conversion optique ne se produise.

À des débits de données plus élevés, ce canal devient plus difficile à gérer. La perte diélectrique, les réflexions, la diaphonie et les discontinuités d'impédance réduisent la marge du signal. Le système peut compenser par une égalisation plus forte de l'émetteur et du récepteur, une récupération d'horloge, un resynchronisation, une correction d'erreur directe ou un module DSP resynchronisé.

Rapprocher le moteur optique de l’ASIC raccourcit la partie électrique de la liaison. Une plus grande partie de la distance physique peut alors être couverte optiquement plutôt que par des traces PCB à grande vitesse.

Trois modèles de placement de moteur optique

• CPO :la conversion optique se produit à l’intérieur de l’assemblage au niveau du package.

• OBNL :la conversion optique se produit sur le PCB hôte à proximité du boîtier.

• XPO :la conversion optique reste à l'intérieur d'un module de panneau avant remplaçable.

Cette décision de placement influence la perte électrique du système, la distribution d'énergie, la structure de refroidissement, le routage des fibres, le processus de fabrication et la stratégie de réparation.

Pourquoi la portée électrique est importante dans les commutateurs haute vitesse

Comment des chemins électriques plus courts réduisent la charge de conditionnement du signal

La liaison électrique entre un ASIC et un moteur optique consomme une partie de l'intégrité du signal, de la puissance et des budgets thermiques du système.

À mesure que les tarifs des voies augmentent, la transmission des BPC devient de plus en plus sensible à :

• Longueur de trace

• Routage d'évacuation des colis

• Perte diélectrique de la carte

• Vias et transitions de connecteurs

• Diaphonie

• Perte de retour

• Capacité d'égalisation

Un canal plus long nécessite généralement plus de compensation. Cette compensation consomme de l'énergie et crée de la chaleur, souvent dans des zones où le flux d'air et l'espace des panneaux sont déjà limités.

Perte, égalisation et puissance des canaux PCB

Un module optique conventionnel peut contenir un DSP qui récupère et resynchronise le signal électrique avant la transmission optique. Cela crée une limite de module robuste, mais cela ajoute également de la puissance à l'intérieur de l'émetteur-récepteur.

Un chemin électrique plus court peut prendre en charge d'autres arrangements d'interface :

• Optique linéaire, où davantage de conditionnement de signal reste dans l'ASIC hôte

• Optique semi-resynchronisée, où seule une partie de l'interface est resynchronisée

• Optique entièrement resynchronisée, où le module fournit une limite de resynchronisation complète

La conception préférée dépend de la capacité SerDes de l'hôte, de la perte de canal, des exigences d'interopérabilité, de la portée optique, des limites thermiques et du risque de mise en œuvre acceptable.

La question technique pertinente n’est donc pas simplement de savoir si un DSP est présent. C'est:

Où se trouvent les fonctions d'égalisation, de recalage, de récupération d'horloge et de FEC, et quel canal électrique doivent-elles compenser ?

Pourquoi des liaisons électriques plus courtes ne créent pas automatiquement un meilleur système

La réduction de la portée électrique améliore une partie de la conception mais peut en compliquer d’autres.

• Concentrez la chaleur supplémentaire autour de la plus grande source thermique du système

• Augmenter la taille de l'emballage et la complexité du substrat

• Rendre les moteurs optiques plus difficiles à remplacer

• Associer le rendement du moteur optique au rendement du boîtier

• Augmenter la densité des fibres internes

• Nécessite un alignement fibre-puce plus précis

• Tests compliqués au niveau du package

CPO, NPO et XPO sont donc des manières différentes de répartir les contraintes d'ingénierie plutôt que de les éliminer.

Architecture CPO : moteurs optiques à l'intérieur du package ASIC

Optiques co-packagéesplace les moteurs optiques dans l’environnement au niveau du package du commutateur ASIC. Au lieu d'acheminer chaque voie électrique à grande vitesse vers le panneau avant, le système effectue une conversion optique à proximité de l'ASIC et transporte les signaux vers le panneau via la fibre.

Il s’agit de la plus agressive des trois architectures en matière de réduction de la portée électrique.

Intégration physique avec packaging 2.5D et 3D

CPO est souvent associé aux emballages 2,5D et 3D, mais ces termes ne sont pas interchangeables avec CPO.

• Un commutateur ASIC

• Plusieurs moteurs optiques

• Appareils photoniques au silicium

• Pilotes et récepteurs électriques

• Emballer des substrats ou des interposeurs

• Structures de fixation de fibres

• Disperseurs thermiques ou plaques froides

Le moteur optique n'a pas besoin d'être fabriqué sur la même puce semi-conductrice que l'ASIC. Des puces électroniques et photoniques distinctes peuvent être intégrées dans le même ensemble au niveau du boîtier.

LeCadre de co-packaging OIFdécrit des assemblages co-packagés contenant des ASIC sur support ou soudés et des moteurs optiques ou électriques sur un substrat hautes performances. Il traite également d'un agencement à emboîtement proche de l'emballage destiné à améliorer la flexibilité d'assemblage et de reprise.

La bande passante CPO est spécifique à la mise en œuvre

CPO est une architecture d'intégration plutôt qu'une classe de bande passante fixe.

LeAccord de mise en œuvre du module co-packagé OIF 3,2 Tb/sdéfinit un élément de base de 3,2 Tb/s pour les assemblages de commutateurs de 51,2 Tb/s. Ses variantes optiques incluent des configurations à fibres parallèles et multiplexées en longueur d'onde, tandis que le même concept mécanique peut également prendre en charge un module de fixation passif en cuivre.

Ce module 3.2T est une implémentation standardisée. Cela ne signifie pas que chaque moteur CPO doit fonctionner à 3,2 Tbit/s ou que le CPO est limité en permanence à une seule plage de bande passante.

• Nombre de voies électriques

• Débit de données par voie

• Nombre de longueurs d'onde optiques

• Format de modulation

• Partitionnement du moteur

• Nombre de fibres

• Topologie du package

Avantages en termes de puissance et de latence

Le principal avantage en termes de puissance du CPO vient du raccourcissement de la connexion électrique à grande vitesse entre l'ASIC et le moteur optique.

• Pilotes électriques à forte autonomie

• Forte réception d'égalisation

• Retimers intermédiaires

• Traitement DSP du module complet

• Étapes FEC supplémentaires

Le bénéfice total dépend de l’architecture de base. La puissance économisée sur l’interface ASIC-optique ne doit pas automatiquement être présentée comme le même pourcentage de la puissance totale du commutateur.

• Le commutateur ASIC

• Modulateurs et récepteurs optiques

• Sources laser

• Conversion de tension

• Pompes et ventilateurs de refroidissement

• Electronique de gestion

• Matériel du plan de contrôle

CPO peut également réduire la latence de l’interface lorsqu’il supprime ou simplifie les étapes de resynchronisation et de traitement du signal. Il n'existe pas de chiffre de latence CPO universel, car le résultat dépend du fait que la mesure couvre l'interface électrique, le moteur optique, le FEC, la liaison optique complète, le pipeline de commutation ou le réseau de bout en bout.

Limites de facilité d'entretien, de rendement et de défaillance

Les modules enfichables traditionnels créent une limite de maintenance claire. Un module défaillant peut être retiré du panneau avant sans remplacer le commutateur ASIC.

CPO change cette limite.

Un moteur optique soudé peut être difficile à remplacer après l'assemblage du boîtier. Une panne au sein d’un package étroitement intégré peut donc élargir le domaine de remplacement et augmenter le coût de réparation.

Cela ne signifie pas que chaque panne optique nécessite la suppression de l'ASIC. La facilité d'entretien dépend de l'utilisation ou non de la conception :

• Moteurs optiques soudés

• Moteurs optiques à socket

• Lasers externes remplaçables

• Redondance des canaux

• Redondance moteur

• Refonte au niveau du package

• Réparation en dépôt plutôt que réparation sur site

Les moteurs à douille peuvent améliorer les retouches de fabrication, mais ils restent moins accessibles que les émetteurs-récepteurs du panneau avant. La conception doit donc prendre en compte à la fois le rendement de fabrication initial et la fiabilité en service à long terme.

Architecture du package CPO avec source laser externe

Sources laser externes comme compromis thermique et de maintenance

Les lasers sont des composants sensibles à la température. Les placer à côté d’un ASIC haute puissance peut compliquer la conception thermique et réduire la marge de fiabilité disponible.

Une architecture laser externe sépare la source laser à onde continue du moteur optique. La puissance optique est transmise via la fibre aux modulateurs à l'intérieur de l'ensemble co-emballé, tandis que le laser reste dans un endroit plus frais et plus accessible.

LeAccord de mise en œuvre de l’OIF ELSFPdéfinit leLaser externe à petit facteur de forme enfichablecomme source de lumière à onde continue remplaçable sur le terrain pour les émetteurs-récepteurs optiques co-emballés dans un système. Il utilise une connexion électro-optique aveugle et est principalement destiné aux applications CPO.

• Séparation de l'environnement thermique du laser du boîtier ASIC

• Remplacement indépendant d'une source lumineuse défaillante

• Refroidissement laser simplifié

• Gestion centralisée de la puissance optique

• Réutilisation ou mise à niveau potentielle des modules laser

Cela crée également des exigences en matière de distribution d'énergie optique, de propreté des connecteurs, de verrouillages de sécurité, de redondance et de surveillance.

ELSFP n'est pas un autre nom pour XPO. ELSFP fournit une alimentation optique externe aux moteurs co-packagés, tandis que XPO définit une architecture optique enfichable différente.

Architecture NPO : moteurs optiques proches de l'ASIC mais en dehors du package

Optiques quasi-emballéesplace les moteurs optiques sur le PCB hôte à proximité du commutateur ASIC mais en dehors du boîtier ASIC.

NPO raccourcit la portée électrique tout en maintenant une plus grande séparation physique entre le moteur optique et le boîtier hôte.

Architecture de moteur optique au niveau de la carte NPO

Placement au niveau de la carte et portée électrique intermédiaire

• A côté de l'ASIC

• Autour du périmètre de la structure de refroidissement ASIC

• Sur une carte fille à proximité

• Dans un assemblage connecteur interne

• Dans un socket au niveau de la carte

Le placement exact et la méthode de fixation dépendent de la mise en œuvre.

Par rapport aux optiques du panneau avant, le NPO réduit la portée du PCB. Par rapport au CPO, les signaux électriques traversent toujours les limites du boîtier ASIC et traversent une partie du PCB hôte.

NPO conserve donc certaines contraintes de canal électrique tout en évitant certains risques d'intégration au niveau du package.

Séparation optique-électrique et réparabilité

Étant donné que le moteur optique reste en dehors du package ASIC, NPO peut fournir un domaine de défaillance plus petit qu'un assemblage CPO étroitement intégré.

Un moteur optique défaillant peut être remplacé sans remplacer le commutateur ASIC. Cependant, cela ne doit pas être confondu avec le remplacement à chaud du panneau avant.

• Ouverture du châssis

• Retrait d'un dissipateur thermique ou d'une plaque froide

• Déconnexion des fibres internes

• Libération d'un connecteur ou d'une prise interne

• Remplacement d'une carte fille

• Effectuer une refonte au niveau de la carte

NPO est donc plus séparable que CPO mais moins accessible que XPO ou un module de face avant classique.

Avantages de l'emballage et du refroidissement par rapport au CPO

NPO évite de placer chaque moteur optique directement à l’intérieur du package hôte. Cela peut réduire la pression sur :

• Zone emballage-substrat

• Fixation optique au niveau du package

• Assemblage du paquet

• Rendement du package couplé

• Refonte du paquet

Cela peut également offrir une plus grande liberté pour établir des chemins thermiques séparés pour les moteurs ASIC et optiques.

• Refroidissement par air

• Dissipateurs de chaleur conducteurs

• Dissipateurs thermiques montés sur carte

• Plaques froides système

• Refroidissement liquide au niveau du châssis

NPO nécessite toujours une fabrication sophistiquée. La carte hôte doit intégrer des liaisons électriques courtes à haut débit, des moteurs optiques, des fibres internes, une alimentation électrique, des structures thermiques et un accès aux services dans une zone restreinte.

Limites de l'OBNL

NPO ne raccourcit pas le chemin électrique de manière aussi agressive que CPO. Il peut donc nécessiter une égalisation ou un resynchronisation plus puissant qu'un moteur optique au niveau du package.

• Le package ASIC

• Traces de PCB hôte

• Connecteurs intermédiaires

• Placement du moteur

• Tarif voie électrique

• Conception thermique

• Routage fibre interne

NPO ne doit pas être défini par une bande passante globale fixe. Sa capacité dépend du nombre de voies électriques, du débit de données par voie, du plan de longueur d'onde optique et du cloisonnement du moteur.

NPO comme architecture intermédiaire

• L'accès électrique au panneau avant devient trop difficile

• L'intégration complète du CPO n'est pas acceptable

• L'entretien interne du moteur est possible

• L'intégration optique au niveau de la carte est disponible

• Le remplacement à chaud du panneau avant n’est pas indispensable

Cela ne signifie pas que l’OBNL doit être temporaire. Il peut rester utile partout où les concepteurs de systèmes apprécient à la fois une portée électrique plus courte et une indépendance partielle du moteur optique.

Architecture XPO : reconstruire le modèle enfichable pour une densité extrême

XPO signifie eXtra-dense Pluggable Optics. Il conserve une limite de remplacement du panneau avant tout en augmentant la densité des voies électriques et en introduisant un refroidissement liquide au niveau du module.

Le fonctionnaireXPO MSAdéveloppe un facteur de forme enfichable refroidi par liquide qui prend en charge64 voies électriques à grande vitesse. Le MSA est ouvert aux participants intéressés sur une base non discriminatoire.

Contrairement à CPO et NPO, XPO ne résout pas principalement le problème de la distance électrique en déplaçant la conversion optique à côté de l'ASIC. Il se concentre sur l’augmentation de la densité et de la capacité de refroidissement d’un module de panneau avant remplaçable.

Module enfichable refroidi par liquide XPO

Possibilité de branchement sur le panneau avant et intégration au niveau du module

Un module XPO reste accessible depuis la face avant.

• Remplacement de module indépendant

• Entretien sur le terrain

• Cycles de vie séparés des commutateurs et des optiques

• Inventaire au niveau du module

• Sélection flexible de la portée optique

• Isolation plus claire des défauts

Le coût est une limite de module plus grande et plus complexe. XPO doit prendre en charge un nombre élevé de voies électriques, une alimentation électrique importante, une connectivité optique dense, une gestion des modules, un refroidissement liquide et un mécanisme d'insertion et d'éjection fiable.

Ce que signifient 64 voies électriques pour la conception du système

Le XPO MSA identifie actuellement une interface électrique à 64 voies. La capacité optique globale dépendra du débit de signalisation final par voie, de la méthode de modulation, du codage, de l'architecture de resynchronisation et de la mise en œuvre optique.

• Densité des connecteurs électriques

• Routage d'évacuation du PCB hôte

• Alimentation du module

• Charge thermique

• Contrôle et diagnostic des modules

• Nombre d'émetteurs et de récepteurs optiques

• Cartographie de fibre ou de longueur d'onde

Jusqu'à ce que la spécification MSA complète soit publiée, la bande passante exacte du module, les limites de puissance, l'affectation des connecteurs et les dimensions mécaniques doivent être traitées comme des spécifications XPO dépendant de l'implémentation plutôt que universelles.

Refroidissement liquide intégré

XPO place le refroidissement liquide à l'intérieur de l'architecture de module enfichable.

Il s'agit d'un changement fondamental par rapport aux modules conventionnels refroidis par air. Le système de refroidissement doit fonctionner avec :

• Contacts électriques

• Interfaces optiques

• Rétention des modules

• Connexions de gestion

• Procédures d'insertion et de retrait

• Accès aux services

Le refroidissement liquide introduit des exigences techniques supplémentaires, notamment :

• Connexions fluides fiables

• Prévention et détection des fuites

• Alignement aveugle

• Compatibilité liquide de refroidissement

• Contrôle des chutes de pression

• Force d'insertion du module

• Procédures d'entretien

L'interface de refroidissement devient une partie du modèle de service du module plutôt qu'une partie seulement du châssis du commutateur.

XPO ne signifie pas qu'un laser externe peut être branché

L'extension officielle de XPO estOptique enfichable extra-dense.

Un laser externe peut être utilisé dans une implémentation optique particulière, mais ce n'est pas la caractéristique déterminante de XPO.

Le terme normalisé correct pour le laser externe remplaçable utilisé principalement avec le CPO estELSFP, ou un laser externe à petit facteur de forme enfichable.

Avantages en matière de facilité d'entretien et complexité accrue

XPO fournit le modèle de remplacement sur site le plus clair parmi les trois architectures.

Un module défaillant peut être retiré du panneau avant sans remplacer le commutateur ASIC ni accéder à un moteur optique interne.

Cependant, l'enfichage par refroidissement liquide est mécaniquement plus exigeant que le remplacement conventionnel d'un module. Une conception terminée devra peut-être se connecter et se déconnecter :

• Voies électriques à grande vitesse

• Contacts de puissance

• Signaux de gestion

• Fibres optiques

• Ports de refroidissement liquide

• Caractéristiques de rétention mécanique

Toutes les interfaces doivent rester fiables au fil des cycles d'insertion et de retrait répétés.

CPO vs NPO vs XPO : comparaison d'ingénierie côte à côte

Emplacement d'intégration et distance électrique

CPO fournit le chemin électrique le plus court en plaçant la conversion optique dans l'environnement au niveau du package.

NPO permet un chemin plus long entre le package et un moteur monté sur carte à proximité.

XPO conserve la connexion électrique entre l'ASIC et le module du panneau avant.

La distance réelle varie selon l'implémentation, les noms d'architecture ne doivent donc pas être convertis en spécifications universelles de longueur physique.

Compromis en matière d'alimentation, de refroidissement et d'intégrité du signal

Le CPO offre le plus fort potentiel de réduction de la puissance de l'interface électrique, mais il crée la concentration thermique la plus élevée autour du boîtier ASIC.

NPO offre plus de séparation entre l'ASIC et les moteurs optiques tout en réduisant la portée des PCB.

XPO préserve le remplacement des modules mais concentre une fonctionnalité et une chaleur substantielles dans le facteur de forme du panneau avant.

Limites de facilité d’entretien et de défaillance

La limite de remplacement diffère considérablement :

• CPO :assemblage de boîtier ou moteur optique interne

• OBNL :moteur interne, socket ou carte fille

• XPO :module du panneau avant

Les ingénieurs doivent évaluer non seulement si un composant est techniquement remplaçable, mais aussi où la réparation a lieu, quels outils sont nécessaires et quelle partie du système doit être mise hors service.

Complexité de l'emballage et propriété de la fabrication

• Emballage de semi-conducteurs

• Photonique sur silicium

• Substrats d'emballage

• Fixation optique

• Conception thermique au niveau du package

• Conception de la carte hôte

• Interfaces électriques courtes

• Fixation interne du moteur optique

• Routage fibre

• Refroidissement au niveau de la carte

• Emballage de modules haute densité

• Intégration du refroidissement liquide

• Alimentation en courant élevé

• Interfaces électriques et optiques denses

• Mécanique du panneau avant

Comment l’écosystème manufacturier évolue

CPO : Emballage avancé et photonique sur silicium

Le CPO nécessite une coordination étroite entre la conception des ASIC, l’intégration photonique, la conception du substrat, le boîtier électrique, la fixation optique, la gestion thermique et les tests.

Plusieurs domaines de rendement doivent être gérés ensemble. Un assemblage terminé peut contenir un commutateur ASIC de grande valeur, plusieurs moteurs optiques, des circuits intégrés photoniques, des pilotes, des récepteurs, des coupleurs de fibre et des structures de refroidissement.

Les tests de puces connus, les moteurs à douilles, les lasers externes, la redondance et les diagnostics au niveau du package peuvent réduire les risques, mais ils augmentent également les coûts et la complexité.

NPO : Intégration de cartes et alignement optique interne

NPO conserve le moteur optique à l’extérieur du boîtier tout en le déplaçant à l’intérieur du commutateur.

Les priorités de fabrication incluent les canaux PCB courts, les transitions électriques à faibles pertes, les connecteurs internes du moteur, le routage des fibres, le refroidissement au niveau de la carte, l'alignement optique, l'accès au service et la testabilité du moteur.

NPO réduit certaines contraintes au niveau du package mais crée une carte système plus spécialisée.

XPO : Intégration de modules et refroidissement liquide

XPO conserve le module optique en tant que produit distinct, mais les capacités requises s'étendent au-delà des modules enfichables conventionnels.

Le module doit combiner une interface électrique à grand nombre de voies, une alimentation électrique substantielle, un refroidissement liquide, une connectivité optique dense, une gestion de module et une facilité d'entretien mécanique.

Le principal défi consiste à préserver une limite de module remplaçable tout en intégrant beaucoup plus de fonctionnalités électriques, optiques et thermiques dans cette limite.

Implications pour le MPO, les réseaux de fibres et le couplage optique au niveau des puces

CPO, NPO et XPO n'éliminent pas le besoin d'une connectivité fibre. Ils changent l'endroit où la connexion se produit et la densité, la précision et les caractéristiques mécaniques requises.

Comment CPO, NPO et XPO modifient la connectivité fibre

XPO et connectivité multifibre haute densité

Une interface électrique enfichable à 64 voies crée un fort besoin d’un routage optique organisé et haute densité.

• Multiplexage de longueur d'onde

• Architecture duplex

• Modulation optique

• Atteindre

• Cartographie des voies

• Conception du connecteur

Les considérations pertinentes relatives aux connecteurs et aux câbles incluent :

• Empreinte du connecteur

• Polarité de la fibre

• Perte d'insertion et de retour

• Accès nettoyage

• Sens de sortie du câble

• Acheminement autour de la structure de refroidissement

• Contrainte mécanique lors du remplacement

• Rétention du connecteur

Les interfaces de type MPO sont bien adaptées à la connectivité multifibre standardisée, mais la configuration finale du connecteur doit suivre la spécification XPO complétée et l'implémentation optique.

Exigences thermiques et mécaniques autour des modules refroidis par liquide

Les assemblages de fibres à proximité d'un module refroidi par liquide doivent coexister avec des ports fluides, des plaques froides, des contacts d'alimentation, des connecteurs électriques haute vitesse, des mécanismes d'éjection et des structures de rétention du panneau avant.

• Gestion des rayons de courbure

• Acheminement des câbles

• Accessibilité du connecteur

• Boucles de services

• Décharge de traction

• Dilatation thermique

• Jeu mécanique

Les classes de température universelles ou les exigences en matière de matériaux de gaine ne doivent pas être supposées avant que les spécifications finales du module et du système ne soient disponibles.

Connexions optiques décalées CPO et NPO à l'intérieur du commutateur

Lorsque les moteurs optiques se rapprochent de l'ASIC, une partie de la connexion optique précédemment contenue à l'intérieur d'un émetteur-récepteur du panneau avant devient une interconnexion optique interne.

• Harnais de fibres internes

• Connecteurs multifibres compacts

• Unités à réseau de fibres

• Structures de routage discrètes

• Pigtails de moteur optique

• Assemblages de couplage au niveau des puces

Le CPO peut nécessiter des interfaces optiques plus petites ou plus compatibles avec les boîtiers que les connecteurs conventionnels du panneau avant. L'interface préférée dépend de l'espace disponible, du nombre de fibres, du budget de perte, de la facilité d'entretien et du processus d'assemblage.

Réseaux de fibres, rainures en V et microlentilles

UNréseau de fibrespositionne plusieurs fibres à un pas contrôlé afin qu'elles puissent se coupler à un circuit intégré photonique.

UNRainure en VLa structure localise mécaniquement les fibres et aide à maintenir leur alignement relatif.

UNréseau de microlentillespeut focaliser, collimater ou remodeler les faisceaux optiques entre les fibres et la puce photonique.

• Couplage de bord

• Accouplement de grille

• Interfaces à poutre élargie

• Connexions optiques amovibles

• Unités de réseau de fibres fixées en permanence

Leur tolérance d'alignement et leurs performances de couplage requises dépendent du mode optique, de la structure du guide d'onde, de la géométrie de la lentille, du matériau de fixation et de la température de fonctionnement.

Réseau de fibres, rainure en V et couplage de microlentille à une puce photonique au silicium

Comment choisir entre CPO, NPO et XPO

Aucune architecture n’est optimale pour chaque commutateur.

Choisissez par performance électrique et budget de puissance

Le CPO est le meilleur candidat lorsque la minimisation de la portée électrique et la puissance de l’interface constituent l’exigence dominante.

NPO est pertinent lorsque le chemin électrique doit être raccourci mais que l’intégration au niveau du package n’est pas acceptable.

XPO est approprié lorsque la facilité d'entretien du panneau avant et l'augmentation de la densité enfichable sont prioritaires par rapport à la distance électrique minimale.

Choisissez par facilité d'entretien

XPO propose le modèle de remplacement le plus direct pour les opérateurs qui ont besoin d'un inventaire de composants optiques indépendant et d'un entretien rapide sur le terrain.

NPO peut convenir lorsque le remplacement interne du moteur peut être effectué lors de la maintenance programmée du châssis.

Le CPO nécessite une analyse minutieuse de la réparation du package, de la redondance du moteur, du placement du laser et du coût de remplacement.

Choisissez selon l'état de préparation au refroidissement

Le CPO nécessite la capacité d’évacuer la chaleur des composants optiques et électriques concentrés autour du boîtier ASIC.

NPO nécessite des chemins thermiques efficaces pour les moteurs optiques internes montés sur carte.

XPO nécessite une infrastructure de refroidissement liquide et des interfaces fluides fiables à la limite du module.

Choisissez par capacité de fabrication

Le CPO dépend fortement d’un packaging semi-conducteur et photonique avancé.

NPO dépend d'une conception de carte spécialisée, de l'intégration d'un moteur optique interne et de l'alignement des fibres.

XPO dépend de la conception de modules refroidis par liquide, d'une connectivité électrique dense, d'une puissance élevée et d'interfaces multifibres.

Liste de contrôle des décisions d'ingénierie

Avant de sélectionner une architecture, confirmez :

• Portée électrique ASIC-optique requise

• Perte de canal maximale

• Budget total de puissance du système

• Architecture de refroidissement

• Stratégie de remplacement du moteur optique

• Domaine de défaillance acceptable

• Capacité de fabrication de paquets et de cartes

• Espace de routage de fibre interne

• Densité des connecteurs

• Exigences d'alignement optique

• Stratégie de test et de retravail

• Cycles de mise à niveau attendus des commutateurs et des optiques

Malentendus courants à propos de CPO, NPO et XPO

Ce ne sont pas trois niveaux de bande passante

CPO, NPO et XPO décrivent les architectures de placement et d'intégration.

Leur bande passante globale dépend du nombre de voies, du débit de données par voie, de l'architecture de longueur d'onde, du format de modulation et de la génération du système.

Rapprocher l’optique ne résout pas tous les problèmes

Une portée électrique plus courte peut réduire la perte de canal et la puissance de conditionnement du signal, mais elle peut augmenter la complexité du boîtier, la concentration thermique, le couplage de rendement et les coûts de maintenance.

Le chemin électrique le plus court n’est pas automatiquement le système le moins risqué.

NPO n'est pas automatiquement remplaçable à chaud

NPO sépare le moteur optique du package ASIC, mais le moteur reste normalement à l'intérieur du châssis.

Le remplacement indépendant ne doit pas être confondu avec le remplacement à chaud du panneau avant.

Le CPO ne nécessite pas toujours le remplacement de l'ASIC après une panne optique

La limite de défaillance dépend du fait que les moteurs optiques sont soudés, montés sur support, redondants ou réparables indépendamment.

Le CPO est moins utilisable sur le terrain que l'optique du panneau avant, mais son modèle de réparation exact est spécifique à l'implémentation.

XPO ne signifie pas qu'un laser externe peut être branché

XPO signifieOptique enfichable extra-dense.

ELSFP est le terme distinct pour unLaser externe à petit facteur de forme enfichablesource utilisée principalement avec des systèmes optiques co-packagés.

Les CPO, NPO et les optiques enfichables coexisteront-ils ?

Les trois architectures résolvent différentes combinaisons de problèmes, la coexistence est donc techniquement plausible.

CPO offre le chemin électrique le plus court et le niveau d'intégration de package le plus élevé.

NPO réduit la portée des PCB tout en préservant une plus grande séparation entre l'ASIC et les moteurs optiques.

XPO conserve un module de panneau avant remplaçable sur site tout en augmentant la densité des voies électriques et la capacité de refroidissement.

Leur adoption ne dépendra pas uniquement de la bande passante. Les variables importantes comprennent :

• Puissance d'interface

• Puissance totale du système

• Infrastructure de refroidissement

• Rendement de l'emballage

• Fiabilité du moteur optique

• Exigences de maintenance sur le terrain

• Densité des fibres internes

• Technologie de connecteur

• Coût de fabrication

• Échelle de déploiement

Le CPO ne doit pas être traité comme un critère d’évaluation universel prédéterminé. NPO peut rester utile là où la proximité et la facilité d’entretien interne sont importantes. XPO peut devenir attrayant là où le refroidissement liquide est disponible et où les opérateurs souhaitent conserver un modèle de maintenance enfichable.

Le résultat probable est un ensemble plus large d’architectures optiques adaptées à différentes conceptions de commutateurs, couches de réseau, systèmes de refroidissement et priorités opérationnelles.

Foire aux questions

Quelle est la principale différence entre CPO, NPO et XPO ?

La principale différence réside dans l’emplacement du moteur optique. CPO place le moteur dans l'environnement au niveau du package ASIC, NPO le place sur le PCB du système à proximité de l'ASIC et XPO le conserve dans un module enfichable refroidi par liquide sur le panneau avant.

Pourquoi le CPO peut-il réduire la consommation par rapport aux optiques enfichables du panneau avant ?

CPO raccourcit la connexion électrique entre l'ASIC et le point de conversion optique. Cela peut réduire la charge d'égalisation, de recalage, de puissance d'entraînement et de traitement du signal. L’avantage total du système dépend de l’interface électrique et de la référence de comparaison.

Un moteur optique CPO peut-il être remplacé indépendamment ?

Cela dépend de la conception de l'emballage. Les moteurs à douille peuvent permettre une refonte de la fabrication ou un remplacement spécialisé, tandis que les moteurs soudés sont plus difficiles à entretenir. Ni l’un ni l’autre n’offre normalement la même accessibilité qu’un module du panneau avant.

Le NPO est-il remplaçable à chaud ?

Pas nécessairement. Les moteurs NPO restent à l'intérieur du commutateur et peuvent nécessiter un accès au châssis, le retrait des composants de refroidissement, une déconnexion de la fibre interne ou une maintenance au niveau de la carte.

Que signifie XPO ?

XPO signifieOptique enfichable extra-dense. Le XPO MSA développe un facteur de forme enfichable refroidi par liquide prenant en charge 64 voies électriques à grande vitesse.

Comment ces architectures affecteront-elles les connecteurs MPO et les réseaux de fibres ?

XPO répond à la demande continue de connectivité multifibre dense sur le panneau avant. CPO et NPO déplacent davantage de routage optique à l'intérieur du commutateur, augmentant ainsi l'importance des réseaux de fibres compacts, des faisceaux internes, de l'alignement des rainures en V, des microlentilles et des interfaces optiques compatibles avec les boîtiers.