Efficienza energetica nell'ottica in co-packaging

Introduzione

Mentre la velocità dei dati continua a superare gli 800G e a raggiungere velocità multi-terabit, l'efficienza energetica sta diventando un problema critico per gli operatori di rete, gli hyperscaler e gli ambienti di elaborazione AI. Un recente studio di Resolute Photonics mette in evidenza le notevoli differenze di consumo energetico per bit tra le diverse architetture di interconnessione ottica. Le ottiche FPP (Front Plate Pluggable) tradizionali sono sempre più in difficoltà nel soddisfare le richieste di maggiore larghezza di banda ed efficienza energetica. Ciò ha portato allo sviluppo delle ottiche Near Packaged (NPO) e Co-Packaged (CPO), che offrono soluzioni promettenti a queste sfide.

 

Transizione da FPP a NPO e CPO

L'ottica FPP prevede il collegamento dei circuiti integrati specifici per l'applicazione (ASIC) degli switch ai moduli ottici collegabili al pannello frontale tramite tracce elettriche sul circuito stampato (PCB). Con l'aumento della velocità dei dati, questi percorsi elettrici più lunghi comportano un maggiore consumo di energia e problemi di integrità del segnale.

NPO affronta alcune di queste sfide posizionando i moduli ottici più vicini agli ASIC di commutazione, riducendo la lunghezza delle tracce elettriche e migliorando così l'integrità del segnale e riducendo il consumo energetico. Tuttavia, l'NPO si basa ancora su moduli ottici separati, il che può limitare il potenziale di ulteriore integrazione e guadagno di efficienza.

CPO fa un ulteriore passo avanti nell'integrazione, posizionando i motori ottici vicino, o addirittura all'interno, dello stesso pacchetto degli ASIC di commutazione. Questo approccio riduce al minimo la lunghezza del percorso elettrico tra l'ASIC e i componenti ottici, riducendo significativamente il consumo energetico e migliorando le prestazioni. Il CPO rappresenta una soluzione più integrata rispetto all'NPO e offre un maggiore potenziale di efficienza energetica e di miglioramento delle prestazioni.

L'efficienza energetica di queste tecnologie di interconnessione varia in modo significativo. Analizzando il consumo energetico per bit (picojoule per bit - pJ/bit) emerge una chiara tendenza tra queste tecnologie di interconnessione.

 

Confronto sull'efficienza energetica

• Ottica FPP: Le tracce elettriche più lunghe tra l'ASIC dello switch e l'ottica collegabile al pannello frontale richiedono SerDes (Serializzatore/Deserializzatore) ad alta potenza per mantenere l'integrità del segnale. Questa configurazione può comportare un consumo energetico notevole, soprattutto con l'aumento della velocità dei dati. Il consumo medio di energia per le ottiche FPP è di circa 20 pJ/bit.
• NPO: Posizionando i moduli ottici più vicini agli ASIC di commutazione, l'NPO riduce la lunghezza delle tracce elettriche, con conseguente miglioramento dell'integrità del segnale e consumo energetico moderatamente inferiore rispetto all'FPP. Tuttavia, poiché NPO si basa ancora su moduli ottici separati, il potenziale di miglioramento dell'efficienza energetica è limitato rispetto ad approcci più integrati. L'NPO è visto come una tappa intermedia tra l'FPP e l'adozione completa del CPO.
• CPO: L'architettura CPO consente un notevole risparmio energetico grazie all'integrazione dei motori ottici direttamente con gli ASIC degli switch. Questa stretta integrazione elimina le tracce elettriche, riducendo la necessità di SerDes affamati di energia. Le prime implementazioni di CPO hanno dimostrato riduzioni significative del consumo di energia fino a meno di 5 pJ per bit, con un'efficienza energetica fino a 4 volte superiore rispetto alle ottiche collegabili. Ciò è essenziale per le future architetture di rete da 1,6Tbps, 3,2Tbps e oltre.

Mentre le architetture dei data center si spingono verso velocità di commutazione di 51,2 TB, il settore si trova ad affrontare sfide crescenti in termini di consumo energetico. Le ottiche pluggable tradizionali continuano ad aumentare le richieste di potenza, rendendo l'efficienza energetica un problema critico. Un recente studio che confronta 4 ricetrasmettitori 800G con un chiplet SiPh CPO mette in evidenza i significativi risparmi energetici consentiti dall'ottica co-packaged (CPO). Un grafico a torta sul consumo di energia a velocità di 51,2 TB conferma ulteriormente perché il CPO è il futuro delle reti ad alta velocità.

Con 51,2 TB, diversi componenti del sistema contribuiscono al consumo energetico complessivo. Le categorie principali includono:

• Potenza ASIC - Il carico di calcolo primario dello switch.
• CPU, temporizzazione e varie - Funzioni di elaborazione di supporto.
• Ottica - Potenza necessaria per la trasmissione del segnale.
• Erogazione di energia - L'infrastruttura necessaria per la distribuzione dell'energia.
• Potenza della ventola - Fabbisogno energetico del sistema di raffreddamento.

Il CPO riduce drasticamente l'impronta energetica dell'ottica, contribuendo a una riduzione complessiva della potenza del sistema di 25%-30%.

 

Implicazioni per gli hyperscaler e i cluster AI

Il miglioramento dell'efficienza energetica delle interconnessioni ottiche ha implicazioni significative per i data center hyperscale e i cluster AI. Una maggiore efficienza energetica consente densità di banda più elevate, permettendo ai data center di scalare le proprie attività per soddisfare la crescente domanda di dati senza aumentare proporzionalmente il consumo di energia e la generazione di calore. La riduzione del consumo energetico comporta una diminuzione dei costi operativi, con risparmi sulle bollette energetiche e sull'infrastruttura di raffreddamento.

 

Il ruolo di SENKO nella realizzazione di interconnessioni ottiche ad alta efficienza energetica

SENKO Advanced Components è stata determinante nello sviluppo di soluzioni innovative per migliorare l'efficienza energetica delle interconnessioni ottiche. L'azienda si concentra sulla creazione di connettori e componenti ottici avanzati che facilitano una trasmissione efficiente dei dati riducendo al minimo le perdite di potenza. L'impegno di SENKO nella ricerca e nello sviluppo di tecnologie ottiche contribuisce alla più ampia adozione di soluzioni di interconnessione ad alta efficienza energetica nei data center e negli ambienti di elaborazione ad alte prestazioni.

 

Conclusione

L'evoluzione da FPP a NPO e CPO rappresenta un progresso significativo nella tecnologia di interconnessione ottica, con CPO che offre miglioramenti sostanziali in termini di efficienza energetica. Questi sviluppi sono fondamentali per gli hyperscaler e i cluster di intelligenza artificiale che mirano a migliorare le prestazioni, la scalabilità e la sostenibilità in un'epoca di crescita esponenziale dei dati.