如何消除DSP带来的功耗与成本影响？

今年的OFC 2023, linear drive的概念大放异彩、非常火爆。无论是Arista的大会报告，还是各大电芯片厂商后续的反馈及相关产品的推出，linear drive pluggable optics(以下简称LPO)正在稳步地产品落地中。小豆芽这里收集了一些相关资料，理解下linear drive的概念，供大家参考。涉及到电路相关的知识点，如果表述不严谨准确，还请大家多多指正。

当前的高速光模块中，通常会引入DSP芯片，对高速信号进行信号处理，其主要功能包括：1)ADC/DAC, 2)FEC, 3)retiming, 4)reshaping, 5) adaptive-equalizer 等，如下图所示，

(图片来自https://www.fibermall.com/blog/400g-qsfp-dd-aoc-pam4-dsp.htm)

DSP虽然功能非常强大，但也带来了很大的功耗和成本开销，是一把双刃剑。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%，下图为400G ZR光模块的功耗分解, IMDD的情况与此类似。

(图片来自文献1)

如何消除DSP带来的功耗与成本影响?Linear-drive的概念应运而生。在光模块中不再采用DSP, 只留下driver和TIA，而将DSP功能集成到交换芯片中，如下图所示。在光模块中，电芯片只剩下driver和TIA, 有别于传统的driver和TIA, LPO中的driver和TIA需要分别集成CTLE和Equalization功能，用于对高速信号进行一定程度的补偿。Driver的主要功能是线性放大(linear amplifier)，输出电压是线性变化的。Switch发出的信号，不再需要通过CDR恢复产生(retiming)，而是直接传递给driver。Retiming是个非线性过程，LPO也被称为Non-retimed module。

(图片来自Huawei slides)

LPO的优势主要有以下几点：

1)功耗低

相比于可插拔光模块，LPO的功耗下降约50%，与CPO的功耗接近。下图是Arista针对不同光学方案的功耗对比，采用Linear-drive方案后，不同方案(硅光、VCSEL、TFLN薄膜铌酸锂)的功耗均下降50%左右。

交换机系统的整体功耗会下降25%左右，如下图所示。

2)低延迟

由于不再采用DSP，不涉及对信号的复原，整个系统的latency大大降低，可以应用到对延迟要求比较高的场景，例如高性能计算中心(HPC)中GPU之间的互联。

3)低成本

由于不再需要采用5nm/7nm工艺的DSP芯片，系统的成本得以降低。但究竟降低多少，小豆芽这里摘抄研报里的一些数据，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，系统总成本下降在8%左右。

4)可热插拔

CPO由于可靠性和成本等因素，目前还没有被大规模应用。相比于CPO, LPO仍然采用可插拔模块的形式，其可靠性高，维护方便，可以利用成熟的光模块供应链。这也是LPO方案备受青睐的重要原因之一，没有像CPO那样进行较大的封装形式革新。

下图是传统光模块、LPO与CPO各个维度的比较。

(图片来自 Meta slides)

当然LPO作为新的技术方案，仍然存在不少问题需要解决。典型的问题包括：

1)需要在交换机中集成DSP芯片，这一点需要switch芯片厂商的推动。LPO方案也动了DSP芯片厂商(Broadcom与Inphi)的蛋糕。

2)需要定义新的协议与测试方法，OIF正在定义CEI-112G-LINEAR标准。

3)LPO适用的场景，是否可以达到公里级?由于模块中不再有DSP芯片，系统的误码率会有所下降，传输距离也会减小。

在OFC 2023上，多家厂商展示了其linear-drive方案，包括Macom、Broadcom和Cisco等公司，尤其是Arsita在plenary talk里的介绍。在OFC结束后的这大半个月来，多家公司相继推出LPO方案，可见大家对该方案的青睐。但是目前LPO方案更多的是在技术讨论阶段，还未尘埃落定，也没有到量产阶段。LPO方案的推出，是对低功耗低成本高速光模块需求的体现。

审核编辑：汤梓红