Eficiencia energética en la óptica de coempaquetado

Introducción

A medida que las velocidades de transmisión de datos superan los 800 G y alcanzan velocidades de varios terabits, la eficiencia energética se convierte en una preocupación fundamental para los operadores de redes, los hiperescaladores y los entornos informáticos de IA. Un estudio reciente de Resolute Photonics pone de relieve las enormes diferencias en el consumo de energía por bit entre las distintas arquitecturas de interconexión óptica. La óptica tradicional de placa frontal enchufable (FPP) se enfrenta cada vez a más retos para satisfacer las demandas de mayor ancho de banda y eficiencia energética. Esto ha llevado al desarrollo de las ópticas de empaquetado cercano (Near Packaged Optics, NPO) y las ópticas de empaquetado conjunto (Co-Packaged Optics, CPO), que ofrecen soluciones prometedoras a estos retos.

 

Transición de FPP a NPO y CPO

La óptica FPP implica la conexión de circuitos integrados de conmutación específicos de la aplicación (ASIC) a módulos ópticos enchufables en el panel frontal a través de trazados eléctricos en la placa de circuito impreso (PCB). A medida que aumentan las velocidades de transmisión de datos, estas rutas eléctricas más largas provocan un mayor consumo de energía y problemas de integridad de la señal.

La NPO aborda algunos de estos retos colocando los módulos ópticos más cerca de los ASIC de conmutación, lo que reduce la longitud de las trazas eléctricas y, por tanto, mejora la integridad de la señal y reduce el consumo de energía. Sin embargo, NPO sigue dependiendo de módulos ópticos independientes, lo que puede limitar las posibilidades de mayor integración y eficiencia.

CPO lleva la integración un paso más allá colocando los motores ópticos cerca, o incluso dentro, del mismo paquete que los ASIC de conmutación. Este enfoque minimiza la longitud de la ruta eléctrica entre el ASIC y los componentes ópticos, reduciendo significativamente el consumo de energía y mejorando el rendimiento. La CPO representa una solución más integrada que la NPO y ofrece un mayor potencial de eficiencia energética y mejoras de rendimiento.

La eficiencia energética de estas tecnologías de interconexión varía considerablemente. Si se analiza el consumo de energía por bit (picojulios por bit - pJ/bit) en las distintas tecnologías de interconexión, se observa una tendencia clara

 

Comparación de la eficiencia energética

• Óptica FPP: En la arquitectura FPP, los módulos se insertan en las placas frontales del conmutador, lo que requiere largas trazas eléctricas hasta el chip. Las trazas eléctricas más largas entre el ASIC del conmutador y la óptica enchufable del panel frontal requieren SerDes (serializador/deserializador) de alta potencia para mantener la integridad de la señal. Esta configuración puede dar lugar a un consumo de energía considerable, especialmente a medida que aumentan las velocidades de transmisión de datos. El consumo medio de energía de las ópticas FPP es de unos 20 pJ/bit.
• NPO: Al situar los módulos ópticos más cerca de los ASIC de conmutación, NPO reduce la longitud de las trazas eléctricas, lo que mejora la integridad de la señal y reduce moderadamente el consumo de energía en comparación con FPP. Sin embargo, como la NPO sigue dependiendo de módulos ópticos independientes, el potencial de mejora de la eficiencia energética es limitado en comparación con enfoques más integrados. La NPO se considera un paso intermedio entre la FPP y la plena adopción de la CPO.
• CPO: La arquitectura CPO consigue un importante ahorro de energía al integrar los motores ópticos directamente con los ASIC de conmutación. Esta estrecha integración elimina las trazas eléctricas y reduce la necesidad de SerDes, que consumen mucha energía. Las primeras implementaciones de CPO han demostrado reducciones significativas del consumo de energía, hasta menos de 5 pJ por bit, lo que supone una eficiencia energética hasta 4 veces superior a la de las ópticas enchufables. Esto es esencial para la futura arquitectura de redes de 1,6 Tbps, 3,2 Tbps y más.

A medida que las arquitecturas de los centros de datos avanzan hacia velocidades de conmutación de 51,2 TB, el sector se enfrenta a crecientes retos de consumo energético. Las ópticas enchufables tradicionales siguen aumentando la demanda de energía, por lo que la eficiencia energética es una preocupación fundamental. Un estudio reciente en el que se comparan 4 transceptores 800G con un chip SiPh CPO pone de manifiesto el importante ahorro de energía que permiten las ópticas co-empaquetadas (CPO). Un desglose en gráfico circular del consumo de energía a velocidades de 51,2 TB refuerza aún más por qué CPO es el futuro de las redes de alta velocidad.

Con 51,2 TB, diferentes componentes del sistema contribuyen al consumo total de energía. Las principales categorías son:

• Potencia ASIC - La carga computacional principal del conmutador.
• CPU, sincronización y varios - Funciones de procesamiento de apoyo.
• Óptica - Potencia necesaria para la transmisión de la señal.
• Suministro de energía - La infraestructura necesaria para distribuir la energía.
• Potencia del ventilador - Demanda energética del sistema de refrigeración.

CPO reduce drásticamente la huella energética de la óptica, lo que contribuye a una reducción global de la potencia de todo el sistema de 25%-30%.

 

Implicaciones para los hiperescaladores y los clústeres de IA

La mejora de la eficiencia energética de las interconexiones ópticas tiene importantes implicaciones para los centros de datos a hiperescala y los clústeres de inteligencia artificial. Una mayor eficiencia energética permite mayores densidades de ancho de banda, lo que permite a los centros de datos escalar sus operaciones para satisfacer las crecientes demandas de datos sin aumentar proporcionalmente el consumo de energía y la generación de calor. La reducción del consumo de energía conlleva una disminución de los costes operativos, incluido el ahorro en facturas de energía e infraestructura de refrigeración.

 

El papel de SENKO en las interconexiones ópticas energéticamente eficientes

SENKO Advanced Components ha desempeñado un papel decisivo en el desarrollo de soluciones innovadoras para mejorar la eficiencia energética de las interconexiones ópticas. La empresa se centra en la creación de conectores y componentes ópticos avanzados que facilitan la transmisión eficiente de datos al tiempo que minimizan la pérdida de energía. El compromiso de SENKO con la investigación y el desarrollo de tecnologías ópticas contribuye a una mayor adopción de soluciones de interconexión energéticamente eficientes en centros de datos y entornos informáticos de alto rendimiento.

 

Conclusión

La evolución de FPP a NPO y CPO representa un avance significativo en la tecnología de interconexión óptica, con CPO ofreciendo mejoras sustanciales en la eficiencia energética. Estos avances son cruciales para los hiperescaladores y los clústeres de IA que pretenden mejorar el rendimiento, la escalabilidad y la sostenibilidad en una era de crecimiento exponencial de los datos.