CPO交換機應用落地挑戰

  AIGC的持續升溫和大規模的算力運行，使得數據中心的“能耗焦慮”日益加劇，高速互聯下的綠色數據中心的建設也成為了未來的發展趨勢。早在2023年6月，新華三就發布了全球首款基于51.2T交換容量的800G CPO硅光數據中心交換機，為智算網絡部署全面降溫。

  CPO硅光交換機除了支持高密800G端口能力、滿足更大規模智算中心建設需求之外，還進一步降低了設備功耗，滿足PUE≤1.2的要求。

全球首款基于51.2T交換容量的800G CPO硅光數據中心交換機

  從業界發展來看，CPO交換機的概念由來已久，從早期10G時代的OBO（on-board Optics）模塊到56G時代的CPO交換機芯片，而近期，隨著AIGC的熱度又再次被市場所注視，可謂是數據中心領域皇冠上的明珠。

  然而，雖然關注者眾多，但有關CPO交換機的消息通常是風聲大雨點小，往往僅提出一個DEMO便沒有了后續商用的消息。這是因為CPO交換機的落地應用面臨著許多挑戰，首當其沖的便是CPO交換機的可靠性。

  對于客戶而言，交換機最關鍵的要求便是可靠性。CPO交換機相較于傳統可插拔模塊的形態，由于將更多的模塊組件被集成在一塊基板之上，因此這塊大芯片出現問題的概率指數級上升。此外，早期方案中，光源也被集成在芯片內部，根據大量統計數據顯示，光模塊最容易失效的部件是激光器，更有甚者，為了降低功耗，一個激光器需要為4個通道提供激光，那么一旦出現問題將影響4個通道的業務。由于上述問題，以及集成方案的不可更換性，集成激光器的CPO方案往往都無法真正商用落地。

  CPO交換機落地關鍵：外置光源

  為了解決以上問題，新華三在CPO交換機上采用了16個外置光源，將最容易失效的部分通過機箱內部無源光網絡的方案部署在前面板側，大幅提高了CPO交換機的可維護性。

  外置光源將高功率激光器產生的功耗從芯片內部剝離，使得整體機箱內部的溫度梯度更為均衡，有利于設備的散熱。而且外置光源內的激光器可工作在更低的溫度環境中，相較于在交換芯片附近70~80度的高溫，激光器的電光效率也能得到提高。

  新華三針對客戶關注的可靠性重點問題，對設備進行了軟硬件的專業優化，讓S9827-64EO的每個通道也能像可插拔光模塊一樣進行監控診斷。對于出現異常的通道，S9827-64EO會根據各個監控點的反饋智能判斷故障點，輔助運維快速、準確、高效完成異常排查和維護。

  利用直通型外置光源壓縮交換機尺寸

  CPO交換機通過將傳統光模塊中的光電轉換器件與交換芯片集成在同一基板上，實現了空間和功耗上的節約。雖然采用光纖法蘭作為與其他節點互聯的光接口，但依然需要大量前面空間來布置法蘭。并且，為了提高光源的可靠性和可維護性，還需要額外的1U空間來布置外置光源，因此現有CPO交換機的尺寸無法進一步壓縮。

H3C S9827-64EO CPO交換機在CIOE 2024上的實機上電展示

  直通型外置光源是一種將前面板法蘭與外置光源集成于一體的解決方案。

  傳統外置光源均使用光電混合盲插接口來保證人眼安全，拉手環處的連接空間被閑置。直通型外置光源將這一部分空間充分利用，結合高密連接器方案將前面板法蘭與外置光源結合，在外置光源內部則使用短跳線與光電混合接口相連。

  這一方案的優勢在于：

  由于當前電力供需緊張形勢進一步加劇,為確保電網安全，確保民生用電，確保不出現拉閘限電,經研究決定，從8月15日起取消主動錯避峰需求響應。

  顯著提高了設備的集成度，使得采用該技術的CPO交換機最低只需1U的空間；減少了CPO交換機內部光纜復雜度，無需將數據光纖和光源光纖分別布置；

  更貼近傳統光模塊的使用體驗；

  可以實現多種連接方案的切換需求，原本CPO交換機由于光接口形態與激光器是需要一一對應，無法靈活的切換DR或FR等需求方案，采用直通型外置光源后，可以同步切換接口和激光器，因此有望實現兼容DR和FR的CPO交換機。

直通型外置光源和傳統外置光源方案對比

  光電混合接口的方案對比

  目前，業界已提出了多種方案的直通型外置光源形態，它們對于光電混合接口的定義也各有不同，主要分為IPEC組織下的PELS形態，和OIF組織下的ELSFP形態，以下我們分別介紹：

  1. 直通型ELSFP

  OIF定義的ELSFP采用橫向雙MT的設計，直通型ELSFP是通過增加MT插芯的芯子數量來實現額外的數據通道。在使用MT-36的情況下，最高可支持64個通道（4*DR8）的數據傳輸和8個通道的保偏激光傳輸。ELSFP的直通型和普通型在光電混合口外形上并無差異，為了區別這兩種方案以防錯配導致光口損傷，OIF在外殼上定義了一個鍵位序列作為防呆結構，以保證不同方案外置光源在盲插時不至于損壞光電混合接口。

直通型ELSFP

  2.直通型PELS

  PELS定義的直通型采用縱向堆疊的雙MT的設計，同樣在使用MT-36的情況下，最高可支持64個通道（4*DR8）的數據傳輸和8個通道的保偏激光傳輸。由于PELS的直通型方案和普通方案存在構型上的區別，并沒有設置額外的防呆結構。

直通型PELS

  不過這兩種方案均需要使用到MT-36插芯需要使用3排12芯來滿足4*DR8業務的插芯排布，由于插芯在制作過程中，光纖是以排為基礎單位進行組裝，多排光纖間會存在互相干擾，保偏光纖需要使用人工對齊偏振角，在多層組裝時有可能會降低插芯的良率。2組MT-36插芯為了能夠滿足4對DR8數據通道的需求，所有光纖通道均需要使用，因而普通方案中MT-12中間4個插芯用于保偏激光的通道，也被對稱的用于數據傳輸。

兩組MT-36插芯在4*DR8需求下可能的排列方案

  這與傳統MT插芯中的光纖分布有一些差異，也會影響到前端口的扇出，因為與CPO交換機對接的4組DR8接口必然遵循傳統的MT插芯排布，無論是MT-16還是MT-24都無法兼容。

傳統MT插芯的Tx、Rx排布情況

  新型PELS直通型外置光源

  新華三基于在CPO交換機領域的先進開發經驗和光模塊領域的多年深耕經驗，投入核心研發力量開發了全新PELS直通型外置光源，模塊設計滿足IPEC OIO Pluggable External Laser Source IA規范。

新型PELS直通型外置光源

  新型PELS直通型外置光源將傳統位于前面板的連接器通道通過Pass-through技術轉移到外置光源的前端，使采用高密度直通型PELS外置光源的CPO交換機使用體驗更接近傳統交換機。

  使用SENKO研發的超高密度SNMT-24插芯作為光電混合盲插接口的直通光路連接器，最高可支持8路保偏光源通道+32對數據通道以傳統MT-12的形式對稱排列在兩側，可使51.2T CPO交換機最低降至1U高度。

光電混合接口示意圖

  Host側SNMT連接器可獨立拆卸更換，清潔維護更方便。在保持相同連接密度下，4個SNMT-24插芯的雙排插芯使得光纖組裝相對三排插芯的MT-36有著更好良率表現。

  新華三研發的新型PELS直通型外置光源在2024年9月的CIOE光博會上，由多家合作單位共同展示，收獲了廣泛關注與好評，也將很快為更多行業客戶的算力建設提供更加高效可靠的網絡基礎底座。