LPO 技术：解决 AI 时代智算中心能耗问题的新希望
尽可能减少数据传输所消耗的电力，以致于让每一瓦特电力都用于AI计算。面对“算力的尽头是电力”，这是AI时代每一位智算中心运营者的梦想。
但要接近这一梦想变得越来越难。当前，AI应用和大模型的飞速发展正推动智算中心AI集群的规模和数据流量激增，带动智算网络的能耗和成本节节攀升。尤其是网络中的光模块器件，由于带宽和数量都将成倍提升，面临的整体功耗问题尤为突出。
在此背景下，为了给“实际计算腾出更多的电力”，一种新的光模块技术——LPO（线性驱动可插拔光模块）脱颖而出。LPO采用线性直驱技术，取消了传统可拔插光模块中的DSP或CDR芯片，从而可显著降低光模块的功耗、成本和时延。
尽管LPO优势明显，但要实现规模部署，首先面临着交换机与光模块之间的互联互通挑战。
值得庆贺的是，在不久前举行的IFOC 2024上，业界传出了一则劲爆消息：新华三独家受邀在现场展示了H3C S9827-128DH高密400G智算交换机与多家厂商的400G DSP&LPO模块的互联测试，结果显示DSP和LPO的性能表现相近，验证了基于112G 的LPO方案的市场可行性。
此次互联测试背后有着怎样的技术逻辑和门槛？为什么偏偏新华三能做到？我们来展开讲一讲。
去掉DSP的LPO
众所周知，光模块在网络连接中执行光信号和电信号转换的任务，传统可拔插光模块主要由DSP（数字信号处理器）、TIA（跨阻抗放大器）、（驱动器）、LD（激光器）、PD（光电探测器）等部分组成。连接交换机后，信号发送的大致流程是：交换机ASIC 将电信号通过PCB（印刷电路板）驱动到光模块，光模块中的DSP芯片接收电信号并执行信号再生、信号均衡补偿等功能，然后电信号经过放大后由激光器转换为光信号发射出去。
显然，在传统可拔插光模块中，DSP是关键组件。由于信号通过PCB上的传输线时会发生损耗，且损耗会随着数据速率和传输线长度增加而增加，而DSP芯片的引入可缓解链路损耗和对抗信号失真。
但DSP芯片也有缺点，大家都知道，凡是负责高速数字信号处理的芯片都很耗电且成本高昂。数据显示，400G光模块中典型的7nm DSP功耗占模块功耗的50%。进入AI时代，随着AI集群规模不断扩张，光模块在智算网络中的整体功耗还会进一步加剧。一方面，光模块速率从100G、200G向400G、800G甚至1.6T演进，致使单个光模块的功耗持续攀升。另一方面，由于智算网络架构更加扁平且无收敛，AI集群规模扩张会引发对光模块的数量需求急剧上涨。据计算，智算网络所需的光模块数量将相对GPU数量呈数倍增长。
正因如此，LPO技术从2023年开始受到业界广泛关注。如上图所示，LPO摒弃了传统光模块里的DSP，取而代之的是，将相关功能集成到交换机ASIC，并采用性能更优、信号补偿能力更强的TIA和电芯片。这样一来，光模块中只剩下线性模拟组件和光引擎部分，从而可显著降低光模块功耗、延迟、成本和尺寸。
压力给到了交换机
显而易见，LPO方案将信号再生和数字信号补偿功能转移到交换机侧后，主要依靠ASIC 来整合端到端链路性能，自然对交换机的性能和兼容性提出了更高的要求。
首先，LPO光模块去掉DSP后只剩下对抖动、噪声、干扰、衰减等更加敏感的线性模拟组件，尽管/TIA具有更强的均衡能力，但仍然不可避免地会将这些影响信号完整性的因素层层传递和叠加，进而造成整条链路的误码率增加。因此，这要求对交换机的电路部分进行精心设计，以实现更低的交换机端口损耗，确保到达光模块的电信号质量足够好。
其次，交换机ASIC 与光模块之间通过PCB上的传输线路连接，受走线、打孔、焊接等PCB制造工艺的影响，交换机各个端口的插入损耗和回波损耗必然存在一定的差异，导致同一LPO光模块在不同交换机端口的误码率性能表现不一致。这要求交换机能对高损耗端口进行补偿，并能根据不同端口的损耗匹配最优的均衡参数，从而确保交换机全端口支持LPO光模块。
再者，由于采用的激光器方案、支持的传输距离等不同，LPO光模块具有多种类型，考虑不同厂家、不同类型的LPO光模块的光电通道特性不同，交换机还需具备识别光模块类型的能力，并能根据不同的信道特性、TIA/参数进行均衡参数自动调优，以主动适配光模块，使端到端链路性能达到最优。
为什么是新华三？
本次互联测试在H3C S9827-128DH与各厂商的多种类型的LPO光模块之间完成了光眼图测试和误码率测试，结果显示：一、H3C S9827-128DH端口可以识别400G VR4+VCSEL、400G DR4+硅光、400G DR4+EML等不同类型、不同规格的模块，同时交换机不同端口保持较好的电信号一致性；二、各厂商的LPO模块在H3C S9827上的误码率均低于门限要求，且经过与主机适配调优的LPO模块误码率表现较好，与DSP方案光模块误码率相近。
图示：不同厂商的LPO模块在不同端口上的误码率对比图
这些良好的测试结果无疑证明了新华三智算交换机已解决LPO方案带给交换机的新挑战，彰显出新华三智算交换机产品强大的性能、稳定性和兼容性，为LPO光模块规模应用再添助力。这背后，新华三是如何做到的？
首先，为确保交换机全端口性能一致良好，新华三 S9827-128DH采用51.2T交换芯片、以及领先的超低损PCB板材，并精密设计端口与PCB板材之间的布局走线，最大化减少电信号衰减和串声干扰。同时，经过长达半年的反复测试、修改、优化交换机驱动软件和高速模块寄存器中的高速电信号参数（预加重、均衡等），选取最优的参数模型，导入交换机的固化软件系统中。在模块上电后，将自动识别高速模块并赋予其兼容范围最好的电信号，实现较低的误码率，保障业务端口稳定运行。
其次，为了广泛兼容不同规格、不同技术方案的高速模块，H3C S9827-128DH交换机软件遵循CMIS和SFF-8636，采用逻辑读取器，在读取光模块寄存器中的信息后，通过在驱动软件导入的灵活、完善的识别策略，实现对各厂家的不同模块规格（VR4、DR4等）、不同芯片方案（DSP、LPO）、不同激光器方案（EML、硅光）、多种应用模式（一对一、一分二）的模块的类型读取，可灵活智能识别端口模块模式，快速上电。
最后，谋全局，方能引领变革。以上所有的技术创新突破当然都离不开新华三的前瞻性布局。面对日新月异的AI技术和应用推动智算中心的异构算力规模和复杂性节节攀升，给智算网络的性能、能效等提出了越来越高的要求，新华三始终倡导以开放标准的联接技术打通智算互联互通的大动脉。光模块作为智算网络的关键器件，此次新华三智算交换机完成与各厂商、各种类型的LPO光模块的良好对接，正是践行开放标准路线的一次生动实践。
事实上，在前瞻性布局引领下，新华三不只是推出了400G/800G LPO高密智算交换机，还推出了支持同城长距集群间的互联互通的400G/800G ZR/ZR+ DCI硬件方案、具有极致的转发性能与网卡解耦能力的算力集群核心交换机H3C AI等众多产品与解决方案，充分表明其已在AI算力时代把握住了先发优势，为推动智算网络变革和助力AI产业绿色高效发展做好了充分准备。
通信路上，一起走！
