مع استمرار توسع أحجام مجموعات الذكاء الاصطناعي، يزداد استهلاك الطاقة للمنافذوحدات بصرية 800G/1.6Tأصبح استهلاك الطاقة عبر منفذ واحد عائقًا رئيسيًا أمام فعالية استخدام الطاقة في مراكز البيانات. فبينما توفر الوحدات البصرية التقليدية القائمة كليًا على معالجة الإشارات الرقمية (FRO - البصريات المُعاد توقيتها بالكامل) معايير راسخة ومسافات نقل طويلة، إلا أن استهلاكها للطاقة في المنفذ الواحد، والذي يتراوح بين 14 و16 واط، غالبًا ما يكون مرتفعًا جدًا لدرجة تجعلها غير عملية. ونتيجة لذلك، تطورت الصناعة بعيدًا عن البنية الخطية التقليدية القائمة على معالجة الإشارات الرقمية، مما أدى إلى ظهور نهجين رئيسيين: LPO وLRO/TRO.

تُزيل تقنية LPO (البصريات الخطية القابلة للتوصيل) شريحة معالجة الإشارات الرقمية (DSP) داخل الوحدة تمامًا. يستخدم جانب الإرسال ليزرًا يعمل بالتشغيل المباشر الخطي، بينما يُعيد جانب الاستقبال الإشارة التناظرية مباشرةً إلى شريحة ASIC المضيفة بعد مرورها عبر مُضخِّم إشارة عابر (TIA). ثم تُجرى عمليات معادلة الإشارة، واستعادة الإشارة، وفك تشفير تصحيح الخطأ الأمامي (FEC) بواسطة شريحة SerDes التبديلية - وهو تصميم يُعرف أيضًا باسم بنية "إعادة التوقيت الصفري". تتميز هذه التقنية بمزايا كبيرة: ففي منافذ OSFP-800G، ينخفض ​​استهلاك الطاقة النموذجي إلى 5-8 واط، ما يُمثل توفيرًا في الطاقة يزيد عن 50%؛ ويقل زمن استجابة المعالجة الداخلية للوحدة عن 3 نانوثانية (باستثناء تأخير انتشار الإشارة في الألياف الضوئية)؛ كما تنخفض التكلفة النظرية لقائمة مكونات المنتج (BOM) بنسبة تتراوح بين 15% و20%. ومع ذلك، فإن هذا النهج يأتي مع بعض المقايضات: مسافة الإرسال محدودة (بالنسبة لـ DR8 أحادي الوضع، يبلغ المدى النموذجي ≤500 متر؛ في سيناريوهات الوضع المتعدد، يبلغ حوالي 100 متر)، ويعتمد بشكل كبير على أداء SerDes المضيف واتساق القناة؛ تصحيح أخطاء النظام معقد، ولا تزال معايير قابلية التشغيل البيني قيد الإعداد؛ وهو مناسب للوصلات البينية قصيرة المدى للغاية داخل رف واحد أو بين رفوف متجاورة.

يُعدّ كلٌّ من LRO (البصريات الخطية للاستقبال) وTRO (البصريات المُعاد توقيتها للإرسال) تسميتين مختلفتين لنفس التصميم المعماري؛ إذ يُطلق على الأول اسم "خطي" من جانب الاستقبال، بينما يُطلق على الثاني اسم "مُعاد توقيته" من جانب الإرسال، ويُعرف أيضًا باسم بنية نصف مُعاد توقيته. في هذه البنية، يحتفظ جانب الإرسال بمعالج إشارة رقمية (DSP) لتشكيل الإشارة وإعادة توقيتها، بينما يستغني جانب الاستقبال عن معالج الإشارة الرقمية ويستخدم مُضخِّم إشارة خطي (TIA) لإخراج الإشارة مباشرةً. يُحقق هذا النهج توازنًا بين جودة الإشارة في جانب الإرسال واستهلاك الطاقة في جانب الاستقبال: تستهلك وحدة 800G المُغلّفة بـ OSFP عادةً ما بين 8 و10 واط تقريبًا؛ وتدعم المنتجات التجارية المُنتجة بكميات كبيرة عادةً مسافة إرسال تبلغ 2 كيلومتر، بينما يمكن للإصدارات المُخصصة دعم مسافة تصل إلى 5 كيلومترات؛ ويبلغ زمن استجابة المعالجة الداخلية للوحدة حوالي 6 نانوثانية (باستثناء زمن تأخير انتشار الألياف الضوئية)، مما يجعلها مناسبة لوصلات مراكز البيانات متوسطة وقصيرة المدى. خلال المناقشات حول الجيل التالي من منتجات 1.6T، يتفق القطاع على نطاق واسع على أن LRO/TRO يوفر مزايا مقايضة أكثر وضوحًا من حيث الأداء وتوافق النظام البيئي، ومن المتوقع أن يكون لديه جدوى نشر أعلى من LPO.

الشكل 1: تطور بنية الوحدة البصرية - مقارنة بين تدفقات إشارات FRO/LROTRO/LPO

الجدول 1: مقارنة المعايير الرئيسية لثلاثة تصميمات معمارية للوحدات البصرية

ملاحظات:

1. يمثل استهلاك الطاقة وزمن الاستجابة القيم المرجعية الداخلية لوحدة OSFP 800G DR8/2×FR4؛ ولا تشمل هذه القيم زمن انتقال نقل الألياف؛ وقد تختلف المعلمات المحددة لأنواع الحزم المختلفة والمحركات البصرية ومواصفات المسافة.
2. النطاق النموذجي: LRO - توفر الطرازات التجارية الرئيسية للإنتاج الضخم 2 كم و 5 كم كخيارات مخصصة؛ LPO ≤ 500 م هو مواصفات DR8 أحادية الوضع؛ يصل نطاق LPO متعدد الأوضاع إلى 100 م تقريبًا؛ FRO - اعتمادًا على المواصفات، يدعم إصدار FR4 ما يصل إلى 2 كم، بينما يدعم إصدار LR4 ما يصل إلى 10 كم.

بشكل عام، صُممت تقنية LPO لمجموعات الذكاء الاصطناعي التي تتطلب استهلاكًا عاليًا للطاقة وزمن استجابة منخفضًا، بينما توفر تقنيتا LRO/TRO نطاقًا أوسع من سيناريوهات المدى المتوسط ​​والقصير من خلال الموازنة بين الأداء وكفاءة الطاقة؛ وتُكمل هذه الحلول تقنيات FRO التقليدية بدلًا من استبدالها. وتتمثل المعايير الأساسية لاختيار المنتج في مسافة الإرسال، وقدرات Host SerDes، ونضج النظام البيئي.

الأسئلة الشائعة:

س1: كيف يجب عليك الاختيار بين وحدات LPO أو LRO/TRO أو وحدات DSP التقليدية؟

ج: يعتمد الاختيار على مسافة الإرسال وقدرات شريحة المضيف. بالنسبة للمسافات التي لا تتجاوز 500 متر (داخل رف واحد أو للربط البيني قصير المدى للغاية بين رفوف متجاورة)، اختر LPO - فهو يوفر أقل استهلاك للطاقة (5-8 واط) وأقل زمن استجابة داخلي للوحدة؛ أما بالنسبة للربط البيني للتيار المستمر متوسط ​​إلى قصير المدى لمسافة 25 كم، فاختر LRO/TRO - فهذا الخيار يوازن بين استهلاك الطاقة ومسافة الإرسال؛ أما بالنسبة للمسافات التي تتجاوز 5 كم أو التطبيقات التي تتطلب وظيفة التوصيل والتشغيل والإرسال بعيد المدى، فاستخدم وحدات DSP التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، تحقق مما إذا كانت وحدة SerDes الخاصة بشريحة التبديل تدعم وضع الاستقبال الخطي - لا يمكن لوحدات SerDes القياسية للتبديل العمل مباشرةً في وضع LPO/LRO.

س2: مع إزالة معالج الإشارات الرقمية من مذبذب التردد المنخفض، كيف يتم ضمان جودة الإشارة ومعدل خطأ البت؟

أ: ينقل LPO عمليات معادلة الإشارة (CTLE/FFE/DFE) واستعادة التوقيت (CDR) وفك تشفير FEC من الوحدة إلى وحدة SerDes في شريحة التبديل على جانب المضيف. يفرض هذا متطلبات أكثر صرامة على أداء SerDes على جانب المضيف واتساق قناة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)؛ شريطة أن يفي SerDes على جانب المضيف بقدرة معادلة الإشارة المطلوبة ومواصفات أداء قناة لوحة الدوائر المطبوعة، فإن النهج الخطي يُمكّن من تقليل فقد الإشارة وتشتت الألوان في سيناريوهات المدى القصير، وبالتالي تلبية متطلبات معدل خطأ البت قبل FEC.

س٣: هل LRO و TRO هما الشيء نفسه؟ لماذا لهما اسمان مختلفان؟

ج: هذان مصطلحان يُستخدمان لتسمية نفس البنية المعمارية. يُطلق على LRO (بصريات الاستقبال الخطية) هذا المصطلح من منظور جهاز الاستقبال، أي المعالجة الخطية في جانب الاستقبال دون استخدام معالج الإشارات الرقمية (DSP). أما TRO (بصريات الإرسال المُعاد توقيتها) فيُطلق عليه هذا المصطلح من منظور جهاز الإرسال، أي الاحتفاظ بإعادة التوقيت القائمة على معالج الإشارات الرقمية في جانب الإرسال. يشير كلا المصطلحين إلى بنية نصف خطية (نصف مُعاد توقيتها) حيث يستخدم جانب الإرسال معالج الإشارات الرقمية بينما يستخدم جانب الاستقبال المعالجة الخطية؛ وغالبًا ما يُستخدم هذان المصطلحان بشكل متبادل في هذا المجال.

س4: هل يمكن ربط وحدة LPO/LRO بوحدة DSP تقليدية؟

ج: عندما تكون معلمات الطبقة البصرية (الطول الموجي، والطاقة، ونمط التضمين) متسقة، يمكن توصيل الواجهات البصرية فعليًا؛ ومع ذلك، فإن بنى إعادة التزامن/معالجة الإشارة في LPO/LRO وFRO مختلفة تمامًا، ولا يوجد حاليًا معيار ناضج للتوافق التشغيلي، مما يجعل التكامل المباشر للخدمات مستحيلاً في الغالبية العظمى من الحالات؛ ولا يمكن دمج سوى إصدارات مخصصة خاصة بموردين محددين بعد عمليات تصحيح أخطاء مشتركة مكثفة، ولكن هذه الإصدارات لا توفر توافقًا تشغيليًا عالميًا. وتعمل منظمات مثل OIF حاليًا على تطوير معايير التوافق التشغيلي للوحدات البصرية الخطية، ولا يزال النظام البيئي قيد النضج.