今天这篇文章，我们来聊一个最近非常火的光通信概念——lpo。
近年来，光通信产业的发展势头很猛。
在5g、宽带中国、东数西算等国家战略的持续刺激下，国内光通信技术取得了巨大突破，光基础设施也有了质的飞跃。
特别是今年，aigc大模型爆火，智算和超算崛起，更是带动了光通信的新一波发展热潮。骨干网400g即将全面落地，数据中心800g和1.6t也跃跃欲试。
ospf的演进（来源：arista network）
光通信演进的挑战
其实，光通信的技术迭代，并不是简单的数字翻倍。
进入400g阶段后，我们要解决的问题，不仅仅是速率的提升，更包括高速率所带来的功耗和成本问题。
速率提升就像汽车运货。当运载的货物越来越重，就需要升级发动机。而发动力的排量越大，油耗就越大，发动机价格和油费也会越多。
我们就以光模块为例。
作为光网络的关键器件，也是用得最多的器件，光模块一直以来都是行业关注的焦点。它的功耗和价格，和用户采购意愿息息相关。
早在2007年的时候，一个万兆（10gbps）的光模块，功率才1w左右。
随着40g、100g、400g、800g的迭代，光模块的功耗一路飙升，直逼30w。
要知道，一个交换机可不止一个光模块。满载的话，往往就有几十个光模块（假如有48个，就是48×30=1440w）。
一般来说，光模块的功耗大约占整机功耗的40%以上。这就意味着，整机的功耗极大可能会超过3000w。
光通信设备的能耗激增，也给整个数据中心的能耗及成本带来了巨大的压力，极不利于通信网络的双碳目标。
相比2010年，光器件能耗将增加26倍。（图片来自思科）
为了解决光通信速率攀升带来的能耗问题，行业进行了大量的技术探索。
去年很火的cpo，就是pg电子直营网的解决方案之一。
cpo我之前专门进行过介绍（链接：到底什么是npo/cpo？），这里就不再详细讲了。
今年，在cpo之外，行业又提出了一个新方案，这就是——lpo。
什么是lpo
lpo，英文全称叫linear-drive pluggable optics，即线性驱动可插拔光模块。
从名字可以看出，它是一种光模块封装技术。
所谓“可插拔（pluggable）”，我们平时看到的光模块，都是可插拔的。
如下图所示，交换机上有光模块的端口，把对应的光模块插进去，就能插光纤了。如果坏了，也可以换。
lpo强调“可插拔”，是为了和cpo方案相区分。cpo方案里，光模块是不可以插拔的。光模块（光引擎）被移动到了距离交换芯片更近的位置，直接“绑”在一起了。
那么，lpo和传统光模块的关键区别，就在于线性驱动（linear-drive）了。
所谓“线性驱动”，是指lpo采用了线性直驱技术，光模块中取消了dsp（数字信号处理）/cdr（时钟数据恢复）芯片。
问题来了——什么是线性直驱呢？dsp发挥什么作用？为什么可以被取消？取消之后，会带来什么影响？
这里，我们还是先从光模块的基本架构开始讲起。
光模块传输，就是电信号变成光信号，光信号又变成电信号的过程。
在发送端，信号经过数模转换（dac），从数字信号变成模拟信号。在接收端，模拟信号经过模数转换（adc），又变成数字信号。
一顿操作下来，得到的数字信号就有点乱，有点失真。这时候，需要dsp，对数字信号进行“修复”。
dsp就是一个跑算法的芯片。它拥有数字时钟恢复功能、色散补偿功能（去除噪声、非线性干扰等因素影响），可以对抗和补偿失真，降低失真对系统误码率的影响。
dsp的各种补偿和估算
dsp各模块的作用
（注意：dsp这个东西，也不是所有的传统光模块都有。但是，在高速光模块中，对信号要求高，所以基本需要dsp。）
除了dsp之外，光模块中主要的电芯片还包括激光驱动器（ldd）、跨阻放大器（tia）、限幅放大器（la）、时钟数据恢复芯片（cdr，clock and data recovery）等。
cdr也是用于数据还原。它从接收到的信号中提取出数据序列，并且恢复出与数据序列相对应的时钟时序信号，从而还原接收到的具体信息。
dsp的功能很强大。但是，它的功耗和成本也很高。
例如，在400g光模块中，用到的7nm dsp，功耗约为4w，占到了整个模块功耗的50%左右。
光模块的功耗组成
从成本的角度来看，400g光模块中，dsp的bom（bill of materials，物料清单）成本约占20-40%。
lpo方案，就是把光模块中的dsp/cdr芯片干掉，将相关功能集成到设备侧的交换芯片中。
光模块中，只留下具有高线性度的driver（驱动芯片）和tia（trans-impedance amplifier，跨阻放大器），并分别集成ctle（continuous time linear equalization，连续时间线性均衡）和eq（equalization，均衡）功能，用于对高速信号进行一定程度的补偿。
如下图所示：
lpo的优点
lpo的优点，归纳来说，就是：低功耗、低成本、低延时、易维护。
低功耗
没有了dsp，功耗肯定是下降了。
根据macom的数据，具有dsp功能的800g多模光模块的功耗可超过13w，而利用macom pure drive技术的800g多模光模块功耗低于4w。
低成本
这个也不用说了。前面提到dsp的bom成本约占20-40%，这个就没有了。
driver和tia集成了eq，成本略有增加，但整体还是下降的。
有业界机构分析：800g光模块中，bom成本约为600~700美金，dsp芯片的成本约为50~70美金。driver和tia里集成了eq功能，成本会增加3~5美金。算下来，系统总成本可以下降大约8%，大约50~60美金。
值得一提的是，dsp也是博通、inphi等少数厂商所掌握的技术。取消了dsp，从某种程度上来说，也减少了对少数厂商的依赖。
低时延
没有了dsp，减少了一个处理过程，数据的传输时延也随之下降。
这个优点，对于ai计算和超级计算场景尤为重要。
易维护
这是相对cpo方案来说的。
cpo方案中，如果系统中任何一个器件坏了，就要下电，把整个板子换掉，维护起来很不方便。
lpo的封装没有显著改变，支持热插拔，简化了光纤布线和设备维护，使用上更加方便。
lpo的当前挑战
通信距离短
去掉dsp，当然还是有代价的。tia和driver芯片并不能完全替代dsp，所以，会导致系统的误码率提升。误码率高了，传输距离自然就短了。
行业普遍认为，lpo只适用于特定的短距离应用场景。例如，数据中心机柜内服务器到交换机的连接，以及数据中心机柜间的连接等。
发展初级的lpo，连接距离从几米到几十米。未来，可能会拓展到500米以内。
标准化刚起步
目前，lpo的标准化还处于早期阶段，在互联互通上可能会存在一些挑战。
对于企业来说，如果采用lpo，那么，需要具备一定的技术能力，能够制定技术规格和方案，能够探索设备和模块的边界条件，能够进行大量的集成、互联互通测试。
换言之，lpo目前更适合较为封闭和供应商单一的系统。如果采用多供应商，自己又没有实力驾驭，那么，可能存在“问题较难界定，相互扯皮”的问题，还不如使用传统dsp方案。
此外，也有专家指出，lpo给系统侧的电通道设计带来了一定挑战。目前serdes主流规格是112g，很快将升级到224g。专家们认为，lpo没办法跟上224g serdes的要求。
lpo的产业化进展
lpo方案其实之前就有企业提出过，但是因为技术限制，没有做出什么成果。
今年的ofc大会上，lpo再次被提出，很快成为行业关注的焦点。
aws、meta、microsoft、google等都表示了对lpo的兴趣。许多光通信巨头也在研发方面投入了资源。目前高线性tia及驱动器的主要供应商有macom、semtech、 maxlinear等。
根据预测，到2024年将实现大规模商业化。该行业较为乐观的推断，未来lpo可以占据市场份额的一半。较为保守的推断，到2026年，cpo/lpo的比例将达到30%左右。
结语
lpo是一种平衡和妥协的技术。它适应特定的应用场景(短距离)，放弃了dsp/cdr，从而导致性能的轻微损失(ber差)。然而，它也减少了电力消耗，成本和延迟。虽然它比cpo出现得晚，但它的部署速度可以做到比cpo快。它的优点和缺点同cpo相比如下：
