CPO (को-पैकेज्ड ऑप्टिक्स) एक ऑप्टो-इलेक्ट्रॉनिक ट्रांसमिशन तकनीक है जो ऑप्टिकल इंजन को चिप के साथ सीधे एक ही पैकेज सबस्ट्रेट पर एकीकृत करती है, जिसे कैबिनेट के बीच और कैबिनेट के अंदर दोनों कनेक्शन के लिए उपयोग किया जा सकता है, जिससे पारंपरिक डेटासेंटर के सामने आने वाली बैंडविड्थ की सीमा, सिग्नल अवमंदन और ताप प्रबंधन की समस्याओं का समाधान होता है। AI की कैलकुलेशन की मांग में विस्फोट के साथ, पारंपरिक नेटवर्क बुनियादी ढांचा Agentic AI के समय की बैंडविड्थ की आवश्यकताओं के साथ मेल नहीं खा पा रहा है, और CPO एक महत्वपूर्ण क्रांति का मार्ग है। NVIDIA, Broadcom जैसे प्रमुख कंपनियाँ CPO स्विच समाधान को सक्रिय रूप से विकसित कर रही हैं, लेकिन वर्तमान में उनका सामना उन्नत पैकेजिंग प्रक्रिया, ताप प्रबंधन, मरम्मत और मानकीकरण जैसी सीमाओं से हो रहा है। NPO, OIO, CPC, LPO, OCS जैसी अन्य प्रौद्योगिकीय पथों के सापेक्ष, CPO भविष्य की अपरिहार्य पीढ़ी की प्रौद्योगिकी है, और उद्योग का मूल्य स्विचिंग चिप निर्माताओं और उन्नत पैकेजिंग संस्थानों की ओर केंद्रित होगा।

लेखक, स्रोत: डॉल्फिन रिसर्च

2022 के अंत में ChatGPT के आविष्कार के बाद, कैलकुलेशन क्षमता (GPU), स्टोरेज क्षमता (स्टोरेज), नियंत्रण और नियोजन क्षमता (CPU) आदि से लेकर, AI ने एक के बाद एक सेमीकंडक्टर सुपर उद्योगों और एक के बाद एक ट्रिलियन डॉलर की बाजार की कीमत वाली कंपनियों को जन्म दिया है।

यदि AI बुनियादी ढांचे में एक ऐसा क्षेत्र है जिसमें अभी तक एक ट्रिलियन डॉलर के मूल्य का "बड़ा उछाल" नहीं आया है, तो डॉल्फिन जून अगले सबसे अधिक आशावादी हैं AI के युग के सुपर कनेक्शन पर। यदि कैलकुलेशन क्षमता AI की "बुद्धिमत्ता" की समस्या को हल करती है, और स्टोरेज क्षमता AI की "याददाश्त" की समस्या को हल करती है, तो ट्रांसपोर्ट क्षमता लंबी और छोटी अवधि की याददाश्त को "रॉकेट की गति से" ब्रेन सेंटर में प्रवेश और निकास करने की समस्या को हल करती है।

या एआई पोप हुआ रेन्शुन के शब्दों में, जैसे-जैसे कैलकुलेशन और मेमोरी की सीमाएँ धीरे-धीरे दूर हो रही हैं, ऊर्जा एक दशम कक्षा की लगातार चुनौती बनी हुई है, अगला मुख्य बाधा एआई युग के लिए नेटवर्क की हाई-स्पीड कनेक्टिविटी है, क्योंकि पारंपरिक क्लाउड युग के नेटवर्क बुनियादी ढांचे पूरी तरह से एजेंटिक एआई युग में, अरबों मॉडल पैरामीटर, मिक्स्ड एक्सपर्ट (MoE), स्थानिक सक्रियण के तहत नेटवर्क बैंडविड्थ की आवश्यकता को पूरा नहीं कर सकते।

इस लेख में, हम AI के समय के नेटवर्क ट्रांसमिशन को खोजने के लिए AI नेटवर्क ट्रांसमिशन स्पीड के अनुसार धीरे-धीरे स्विच हो रही प्रकाश-विद्युत ट्रांसमिशन तकनीक—CPO पर चर्चा करेंगे। डॉल्फिन जुन का CPO पर अध्ययन निम्नलिखित है:

एक, CPO क्या है, और क्या यह पारंपरिक तांबे के कनेक्शन को बदल सकता है?

द्वितीय, क्या यह वर्तमान प्रमुख प्लगइन ऑप्टिकल मॉड्यूल को पूरी तरह से प्रतिस्थापित कर सकता है?

तीसरा, इस रुझान के तहत, उद्योग के ऊपरी और निचले हिस्सों की कंपनियों की प्रतिस्पर्धा की स्थिति कैसे बदलेगी?

इस लेख में, हम पहले श्रृंखला के मूलभूत मुद्दों की समीक्षा करते हैं।

यहाँ विस्तृत विश्लेषण है

01 CPO क्या है?

पारंपरिक डेटा केंद्र आर्किटेक्चर में, एक महत्वपूर्ण घटक "ऑप्टिकल मॉड्यूल" होता है, जिसका कार्य ऑप्टिकल फाइबर से आने वाले प्रकाश संकेतों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करके डेटा सेंटर को प्रेषित करना होता है, या डेटा सेंटर में उत्पन्न विद्युत संकेतों को प्रकाश संकेतों में परिवर्तित करके ऑप्टिकल फाइबर में प्रेषित करना होता है, जिससे डेटा संचरण में "सेतु" और "अनुवादक" का कार्य किया जाता है।

कार्य के आधार पर, CPO (सह-पैकेज्ड ऑप्टिकल) आर्किटेक्चर में पारंपरिक ऑप्टिकल मॉड्यूल के कार्य शामिल हैं, लेकिन निम्नलिखित दो स्पष्ट अंतर हैं:

1. संरचना अलग है

पारंपरिक ऑप्टिकल मॉड्यूल निकालने योग्य होते हैं और बाहरी रूप से घर के नेटवर्क केबल पोर्ट पर जुड़े क्रिस्टल हेड की तरह दिखते हैं, लेकिन CPO बिल्कुल अलग है; यह प्रकाश-विद्युत रूपांतरण के लिए जिम्मेदार ऑप्टिकल इंजन और चिप (यहाँ मुख्य रूप से स्विच का ASIC चिप) को एक ही पैकेज सबस्ट्रेट या मीडियेटर पर सीधे एकीकृत करता है।

2. अलग-अलग उपयोग के मामले

ऑप्टिकल मॉड्यूल आमतौर पर कैबिनेट के बीच (अर्थात् Scale-out) में उपयोग किए जाते हैं; जबकि CPO कैबिनेट के बीच के साथ-साथ कैबिनेट के अंदर (Scale-up) दोनों में उपयोग किया जा सकता है, कैबिनेट के बीच में यह पारंपरिक ऑप्टिकल मॉड्यूल को प्रतिस्थापित करता है, और कैबिनेट के अंदर यह वर्तमान में प्रमुख कॉपर कनेक्शन को प्रतिस्थापित करता है।

चित्र: पारंपरिक प्लगइन मॉडल और CPO योजना का चित्रण

स्रोत: GTC 2025, Dolphin Research

हम देख सकते हैं कि हाल के समय में निवेडिया और ब्रॉडकॉम दोनों अपने CPO स्विच विकल्प को सक्रिय रूप से बढ़ावा दे रहे हैं।

तो CPO तकनीक को इतना महत्व क्यों दिया जा रहा है? क्योंकि डेटा सेंटर की कैलकुलेशन की मांग लगातार बढ़ रही है, डेटा सेंटर की डेटा ट्रांसमिशन के लिए बैंडविड्थ की मांग भी विस्फोटक रूप से बढ़ रही है, और डेटा सेंटर अत्यधिक पैमाने पर कैलकुलेशन क्लस्टर की ओर बढ़ रहे हैं, तो इस प्रक्रिया में पुरानी पारंपरिक डेटा ट्रांसमिशन तकनीकें कई बाधाएं पैदा करेंगी:

1. बैंडविड्थ बॉटलनेक

कैबिनेट-टू-कैबिनेट स्थिति में, पारंपरिक स्विच पैनल की सीमित जगह और पारंपरिक प्लगइन ऑप्टिकल मॉड्यूल के आकार को कम करने में कठिनाई के कारण, एकल स्विच द्वारा प्रदान किए जा सकने वाले पोर्ट सीमित हैं, जो बढ़ती हुई बैंडविड्थ आवश्यकताओं का समर्थन नहीं कर सकते।

वर्तमान में विस्थापनीय मॉड्यूल अधिकतम 1.6 Tbps एकल मॉड्यूल बैंडविड्थ का समर्थन करते हैं, एकल स्विच पैनल अधिकतम 51.2 Tbps बैंडविड्थ का समर्थन कर सकता है, भविष्य में 3.2 Tbps मॉड्यूल लॉन्च किए जाने की संभावना है, जिससे स्विच अधिकतम 102.4 Tbps का समर्थन कर सकता है, जो लगभग विस्थापनीय प्रकाशिक मॉड्यूल की सीमा तक पहुँच गया है।

2. सिग्नल इंटेग्रिटी की बॉटलनेक

कैबिनेट के अंदर के स्थिति में, जब ट्रांसमिशन रेट बढ़ता है, तो पारंपरिक कॉपर केबल का उपयोग करने पर लंबी दूरी के ट्रांसमिशन के दौरान विद्युत संकेतों को गंभीर सिग्नल अवमंदन और विकृति का सामना करना पड़ता है, और ट्रांसमिशन दूरी भी लगातार सीमित होती जाती है।

वर्तमान में तांबे के केबल अधिकतम 1.8 टीबी/सेकंड बैंडविड्थ समर्थित कर सकते हैं (जैसे न्विडिया के NVLink तांबे के केबल), और दूरी 2 मीटर से अधिक नहीं होनी चाहिए, लेकिन एकल GPU की बैंडविड्थ की मांग 3.6 टीबी/सेकंड की ओर बढ़ रही है।

3. उष्मा निकास और शक्ति खपत की सीमा

जब संचरण दर बढ़ती है, तो पारंपरिक संचार लिंक की ऊर्जा खपत बहुत अधिक बढ़ जाती है और ताप निकालना भी अधिक कठिन हो जाता है। हम जानते हैं कि वर्तमान में संयुक्त राज्य अमेरिका में डेटा केंद्र निर्माण के लिए ऊर्जा की बड़ी बाधाएँ हैं, इसलिए ऊर्जा खपत की समस्या महत्वपूर्ण लागत दबाव पैदा करेगी।

CPO सिद्धांत रूप से उपरोक्त कई समस्याओं को अच्छी तरह से हल कर सकता है, निवाड़ के अनुसार, CPO के अनुप्रयोग के बाद शक्ति दक्षता 3.5 गुना बढ़ सकती है।

02 विशेष रूप से, डेटा सेंटर के डेटा ट्रांसमिशन स्थितियाँ क्या हैं?

यहां हम डेटा सेंटर के विभिन्न परिदृश्यों और विभिन्न चरणों में डेटा ट्रांसमिशन तकनीकी रास्तों को विभाजित करते हैं:

चित्र: स्केल-आउट और स्केल-अप के उदाहरण

स्रोत: NADDOD, Dolphin Research

1. स्केल-अप, जिसमें головे के अंदर कनेक्शन शामिल हैं

मुख्य रूप से कैबिनेट के अंदर, विशेष रूप से सर्वर के अंदर हार्डवेयर इंटरकनेक्शन को शामिल करता है, जिसमें CPU, GPU, नेटवर्क कार्ड, DDR मेमोरी और हार्ड डिस्क के बीच का इंटरकनेक्शन शामिल है।

वर्तमान में इस भाग के कनेक्शन मुख्य रूप से तांबे को मुख्य कनेक्शन माध्यम के रूप में उपयोग करते हैं, जिसमें CPU, GPU और नेटवर्क कार्ड को जोड़ने के लिए PCIe स्लॉट और मेमोरी स्लॉट (PCB तांबे की ट्रेस), SATA केबल आदि विभिन्न तांबे के केबल शामिल हैं। जबकि CPO वर्तमान प्रमुख समाधान को बदल सकता है।

2. स्केल-आउट, जिसमें मुख्य रूप से कैबिनेटों के बीच इंटरकनेक्शन शामिल है

मुख्य रूप से कैबिनेट या सर्वर और स्विच के बीच कनेक्शन से संबंधित है।

इस भाग के लिए प्रकाश को संयोजन माध्यम के रूप में उपयोग किया जाना आवश्यक है, जिसमें वर्तमान में मुख्य रूप से ऑप्टिकल फाइबर और प्लगइन ऑप्टिकल मॉड्यूल का उपयोग किया जाता है। इसी प्रकार, CPO एक महत्वपूर्ण विकास दिशा है और यह कैबिनेट के अंदर के स्थिति की तुलना में तेजी से आगे बढ़ रहा है।

3. इसके अलावा, डेटा सेंटरों के बीच और डेटा सेंटर तथा बाहरी दुनिया के बीच की कनेक्टिविटी भी है, जो इस लेख का मुख्य विषय नहीं है।

ट्रेंड के आधार पर, CPO वर्तमान में मुख्य रूप से कैबिनेट के बीच के स्थितियों के लिए लक्षित है, लेकिन भविष्य में यह कैबिनेट के अंदर के स्थितियों के लिए भी संभव है।

03 CPO अभी प्रारंभिक प्रचार चरण में है, इसका मुख्य बाधा क्या है?

1. एडवांस्ड पैकेजिंग तकनीक का परिपक्व होना

निचले स्तर की तकनीक के आधार पर, CPO पारंपरिक समाधानों जैसे प्लगइन ऑप्टिकल मॉड्यूल से पूरी तरह अलग है। पारंपरिक ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक घटक उत्पादन तकनीक के मामले में व्यापक ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक घटकों और मॉड्यूल्स से अलग नहीं होते, लेकिन CPO को बेसबोर्ड या इंटरपोजिटर पर ऑप्टिकल इंजन को पैकेज करने की आवश्यकता होती है, जिसके लिए मुख्य रूप से CoWoS जैसी उन्नत पैकेजिंग तकनीकों का उपयोग किया जाता है।

इसी समय, CPO हमारे आम रूप से समझे जाने वाले एडवांस्ड पैकेजिंग से भिन्न है, क्योंकि इसमें केवल इलेक्ट्रॉनिक इंटीग्रेटेड सर्किट ही नहीं, बल्कि फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट को भी एकीकृत किया जाता है, और इस प्रकार की हेटरोजीनियस एकीकरण के लिए TSMC COUPE तकनीक जैसी मिक्स्ड बॉन्डिंग की आवश्यकता होती है।

समस्या यह है कि एक ओर, उपरोक्त उन्नत पैकेजिंग तकनीकों की प्रक्रिया बहुत कठिन है, चाहे निविडा या ब्रॉडकॉम, दोनों ताइवान सेमीकंडक्टर निर्माण क्षमता पर निर्भर हैं, लेकिन क्षमता सीमित है; इसके अलावा, आवश्यक ऑप्टिकल कपलर और उपकरण, मिक्स्ड बॉन्डिंग उपकरण, परीक्षण उपकरण, और ABF सबस्ट्रेट जैसी सामग्री की आपूर्ति में भी बाधाएँ हो सकती हैं;

और वर्तमान चरण में, उपरोक्त उन्नत पैकेजिंग तकनीकों, विशेष रूप से हेटरोजीनियस इंटीग्रेशन की उत्पादन योग्यता में अभी भी बड़ी सुधार की संभावना है, जिससे लचीले समाधानों की तुलना में लागत काफी अधिक है। वर्तमान में, TSMC उन्नत पैकेजिंग की योग्यता में सुधार के लिए प्रयासरत है, लेकिन इसमें कुछ समय लगेगा।

2. निरीक्षण और रखरखाव समस्याएँ

पारंपरिक प्लगइन समाधानों के लिए, चूंकि वे "प्लगइन" होते हैं, इसलिए निरीक्षण और रखरखाव आसान होता है। लेकिन CPO अलग है, इसका ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक मॉड्यूल बेसबोर्ड, मीडियेटर या यहां तक कि चिप के साथ सीधे पैकेज किया जाता है, इसलिए निरीक्षण और रखरखाव की कठिनाई पारंपरिक समाधानों की तुलना में काफी अधिक होगी।

लेकिन उपरोक्त समस्याओं को भी हल किया जा सकता है, जैसे डिजाइन में कुछ त्रुटि सहनशीलता बढ़ाना या संचालन स्तर पर कुछ अतिरिक्तता रखना आदि।

3. ताप प्रबंधन समस्याएँ

लाइट इंजन और चिप का उच्च घनत्व वाला पैकेजिंग चलाने पर स्थानीय तापमान में स्पष्ट वृद्धि करता है, यहां तक कि लेजर की सहनशक्ति सीमा से भी अधिक हो सकता है, इसलिए ताप प्रबंधन भी एक बड़ी समस्या है। उपरोक्त समस्याओं को हल करने के लिए, अधिक कुशल शीतलन योजनाओं को शामिल करने की आवश्यकता होती है, लेकिन इससे लागत में भी वृद्धि होती है।

4. मानकीकरण समस्याएँ

वर्तमान में, निविडा, ब्रॉडकॉम आदि बाजार की पहल प्राप्त करने के लिए अपने स्वतंत्र CPO स्विच समाधान लागू कर रहे हैं। हालाँकि, इसी समय, उद्योग मानक (इंटरफेस मानक, पैकेजिंग मानक आदि) अभी तक विकसित नहीं हुए हैं, जिसके कारण ऊपरी और निचली श्रृंखला एक समान मानक के आधार पर अनुसंधान, उत्पादन और कॉन्फ़िगरेशन नहीं कर सकती हैं, जो व्यावसायिक रूप से लागू करने की कठिनाई है।

संक्षेप में, देखा जा सकता है कि उपरोक्त समस्याओं के सभी के लिए समाधान मौजूद हैं, लेकिन इनके लिए तकनीकी परिपक्वता, मानकों के निर्धारण आदि पर निर्भर करता है, जिसमें समय लगता है।

दूसरी ओर, मूल रूप से, CPO तकनीक को समग्र लागत पर लाभ बनाना होगा।

इससे एक प्रश्न उठता है: चाहे कोई भी योजना हो, लागत हमेशा मुख्य विचार होती है, लेकिन CPO के अलावा, अधिक उन्नत या अधिक सावधानीपूर्ण दृष्टिकोण भी आगे बढ़ रहे हैं, और उनके बीच क्या संबंध है? यहाँ हम पहले विभिन्न तकनीकी दृष्टिकोणों के अंतर को स्पष्ट करते हैं।

04 तकनीकी रास्तों की तुलना

1、CPO

हम जिस CPO, यानी कॉ-पैकेज्ड ऑप्टिक्स (Co-Packaged Optics) की चर्चा कर रहे हैं, वह ऊपर बताए अनुसार प्रकाश इंजन और चिप को एक ही सबस्ट्रेट पर पैकेज करना है, जहाँ चिप या तो स्विचिंग चिप (ASIC) हो सकती है, या GPU जैसी कंप्यूटिंग चिप, लेकिन आमतौर पर इसका अर्थ स्विचिंग चिप से होता है।

2、NPO

NPO नियर-पैकेज्ड ऑप्टिक्स (Near-Packaged Optics) है, जो CPO से कम विकसित है और अभी तक एक ही बेसबोर्ड या इंटरपोजिटर पर पैकेजिंग तक नहीं पहुँचा है, बल्कि केवल एक ही PCB मदरबोर्ड पर पैकेज्ड है।

चीन में अलीबाबा, हुआवेई आदि कंपनियाँ NPO समाधान को बढ़ावा दे रही हैं, जिसे अधिक उन्नत पैकेजिंग क्षमता की कमी के तहत एक समझौता माना जा सकता है, लेकिन यह कुछ समय तक चीनी बाजार में प्रमुख समाधान बन सकता है, जिससे निवर्डिया के समाधान का चीनी बाजार में प्रवेश कुछ हद तक प्रभावित हो सकता है।

चित्र: विभिन्न एकीकरण विधियाँ प्रदर्शित की गई हैं: (ऊपर से नीचे क्रमशः प्लगइन विधि, NPO, CPO (पैकेज सबस्ट्रेट पर एकीकृत), CPO (मीडियेटर पर एकीकृत), और नीचे बताई जाने वाली OIO)

स्रोत: ASE, Dolphin Research

3、OIO

OIO (Optical I/O) को CPO का उन्नत संस्करण माना जा सकता है, जहाँ स्विचिंग चिप का कोई मामला नहीं होता, बल्कि यह मुख्य रूप से कैलकुलेशन चिप से संबंधित है, जिसमें ऑप्टिकल इंजन को कैलकुलेशन चिप के साथ पैकेज किया जाता है, यहाँ तक कि चिप स्तर पर सीधे एकीकृत किया जाता है, जो पूरी तरह से कैबिनेट-इंटरनल स्थितियों के लिए उपयुक्त है।

चित्र: विभिन्न एकीकरण तरीकों का प्रदर्शन: प्लगइन, CPO, OIO

स्रोत: TSMC, Openlight, Dolphin Research

इसके बारे में बात करते हुए, आइए डेटा सेंटर की आर्किटेक्चर को स्पष्ट करते हैं:

डेटा सेंटर को निम्नलिखित भागों के बीच जुड़े हुए माना जा सकता है:

सर्वर कंप्यूटिंग कार्यों पर केंद्रित होते हैं, जिनमें GPU, CPU आदि कंप्यूटिंग चिप्स, मेमोरी, हार्ड डिस्क आदि स्थापित होते हैं;

स्विच सर्वरों के बीच और सर्वर से बाहरी नेटवर्क के बीच नेटवर्क संचार के लिए जिम्मेदार होता है, ASIC चिप के माध्यम से डेटा स्वैप करता है;

इसके अलावा, स्टोरेज सिस्टम है, जिसमें वर्तमान में प्रमुख डेटा सेंटर आर्किटेक्चर में, स्टोरेज मुख्य रूप से सर्वर नोड पर विखरा हुआ होता है और सर्वर के अंदर स्थापित किया जाता है, जो सर्वर के साथ एकीकृत होता है।

उपरोक्त आर्किटेक्चर के आधार पर, हम CPO के अनुप्रयोगों की कल्पना कर सकते हैं। इस आधार पर, चर्चा करते हैं कि CPO पहले बदलाव चिप से क्यों शुरू हुआ?

यहाँ हम स्विच के कार्य की एक तुलना करते हैं—स्विच को डेटा सेंटर के अंदर एक ओवरपास के रूप में देखा जा सकता है, तो कल्पना कीजिए कि स्विच द्वारा उठाए जाने वाले डेटा ट्रांसमिशन बैंडविड्थ का दबाव, पोर्ट घनत्व और इसके साथ आने वाली बिजली की खपत की सीमाएँ सबसे अधिक हैं, इसलिए CPO की मांग अधिक तीव्र होती है।

4、CPC

CPC, जिसका अर्थ है को-पैकेज्ड कॉपर इंटरकनेक्ट (Co-Packaged Copper), यह उच्च गति वाले कॉपर कनेक्टर्स को सीधे पैकेजिंग सबस्ट्रेट पर एकीकृत करने का संकेत है।

इस तकनीकी दृष्टिकोण का लागत लाभ स्पष्ट है, लेकिन यह तांबे के माध्यम की बैंडविड्थ की सीमा और क्षय समस्या को हल नहीं करता, इसलिए इसके अनुप्रयोग के क्षेत्र सीमित हैं; इसे कुछ हद तक कैबिनेट के भीतर GPU/CPU नोड्स, स्विच और स्टोरेज चिप्स के बीच कनेक्शन में उपयोग किया जा सकता है। वर्तमान में NVIDIA कैबिनेट समाधान अभी भी तांबे के कनेक्शन का उपयोग करते हैं, लेकिन भविष्य में इसे प्रकाशिकी संबंध में स्थानांतरित किया जा सकता है।

5、LPO

LPO, जिसका अर्थ है लीनियर-ड्राइव प्लगेबल ऑप्टिक्स, एक संकुचित संस्करण है जिसमें आंतरिक DSP/CDR चिप को हटा दिया जाता है और केवल एनालॉग चिप्स Driver और TIA को बरकरार और मजबूत किया जाता है (इन घटकों के कार्य हम बाद में समझाएंगे), जिससे सिग्नल को सीधे ड्राइव किया जा सके।

सरल शब्दों में, यह ऑप्टिकल मॉड्यूल में उच्च बिजली खपत वाले DSP चिप को हटा देना है और सिग्नल एरर करेक्शन को छोड़ देना है; साथ ही, एनालॉग चिप को मजबूत करना है, जहाँ सिग्नल की सटीकता के बावजूद, एनालॉग एम्पलीफिकेशन के माध्यम से सीधे स्विच ASIC के इलेक्ट्रिकल सिग्नल को लेजर ड्राइव करने के लिए भेजा जाता है।

चित्र: पारंपरिक मॉडल और LPO संरचना की तुलना

स्रोत: ब्रायन मोयर, सेमीकंडक्टर इंजीनियरिंग, डॉल्फिन रिसर्च

लेकिन यहां भी समस्या है, क्योंकि PCB ट्रेस को छोड़ा नहीं गया है (जिससे सिग्नल अपशक्ति होती है), और सिग्नल क्वालिटी की आवश्यकता अधिक है, इसलिए लंबी दूरी के ट्रांसमिशन पर सीमाएं बनी रहती हैं, और जब दर 1.6T से अधिक की ओर बढ़ती है, तो सिग्नल इंटेग्रिटी की समस्याएं विशेष रूप से स्पष्ट हो जाती हैं। अर्थात, संरचना को सरल बनाने के साथ-साथ प्रदर्शन पर भी बलि देना पड़ता है।

इस प्रकार, हम देख सकते हैं कि जहां तक NPO, CPC, LPO जैसे समझौते मौजूद हैं, डेटा केंद्र अधिक उच्च दरों और बड़े क्लस्टर की ओर बढ़ रहे हैं, इन समझौतों का अंततः सीमा पर पहुंचना अनिवार्य है; CPO भविष्य का अनिवार्य अगला पीढ़ी का समाधान है।

6. ऑप्टिकल स्विचिंग (OCS) क्या है, क्या यह CPO की स्थिति को खतरे में डालेगा?

इसके संदर्भ में, OCS (Optical Circuit Switch) का उल्लेख अपरिहार्य है। OCS प्रकार के स्विच की मुख्य विशेषता यह है कि इसमें पूरी प्रक्रिया में प्रकाश-विद्युत रूपांतरण नहीं होता, बल्कि प्रकाश स्विच मैट्रिक्स के माध्यम से सीधे प्रकाश क्षेत्र में भौतिक प्रकाश मार्ग स्थापित किया जाता है।

चित्र: OCS संकेत

स्रोत: Orbray, Dolphin Research

इसे एक पंक्तियों में परावर्तक (माइक्रोमिरर एरे) से बना हुआ माना जा सकता है, जो निर्देशों के अनुसार परावर्तक के कोण को समायोजित करके रोशनी को विभिन्न कोणों पर परावर्तित कर सकते हैं।

दिखने में, OCS प्रकाश संकेत को सीधे फॉरवर्ड करता है और पारंपरिक स्विच की ऑप्टिकल-टू-इलेक्ट्रिक और इलेक्ट्रिक-टू-ऑप्टिकल रूपांतरण प्रक्रिया को बदल देता है, ऐसा लगता है कि इस तकनीकी दृष्टिकोण का उपयोग करने से CPO की आवश्यकता नहीं होगी (कम से कम स्विच चरण के लिए CPO की नहीं)। लेकिन वास्तव में ऐसा नहीं है।

यहां हम डेटा सेंटर में स्विच की आर्किटेक्चर कैसे बनाई जाती है, इसे समझाते हैं:

(1) मदरबोर्ड पर: सबसे पहले, हम जानते हैं कि डेटा सेंटर में सबसे महत्वपूर्ण कंप्यूटिंग GPU के माध्यम से की जाती है, GPU के बाद कंप्यूटिंग पूरी होने के बाद, डेटा को CPU को पास किया जाता है, CPU इसे प्रोसेस करके नेटवर्क कार्ड (जिसमें ASIC शामिल है) को पास करता है, या GPU सीधे नेटवर्क कार्ड को डेटा प्रेषित कर सकता है।

तो उपरोक्त चरणों को एक ही मदरबोर्ड पर या कम से कम एक ही सर्वर में लागू किया जा सकता है।

(2) रैक के अंदर: इसके बाद, डेटा को सर्वर से रैक के स्विच पर भेजा जाता है। एक रैक में कई सर्वर हो सकते हैं जो उच्च गति से जुड़े होते हैं, लेकिन रैक के शीर्ष पर एक स्विच होना आवश्यक है जो बाहरी दुनिया के साथ संचार करे और रैक के अंदर के डेटा को बाहरी डेटा के साथ आदान-प्रदान करे। यहाँ इस स्विच को ToR (Top of Rack) स्विच कहा जाता है।

और उपरोक्त चरण एक ही कैबिनेट में लागू किए गए हैं।

(3) कैबिनेट्स के बीच: डेटा सेंटर कई कैबिनेट्स से बना एक क्लस्टर होता है, और कैबिनेट्स के बीच संचार कैसे समन्वयित किया जाता है? यहाँ Spine स्विच का कार्य आता है। Spine स्विच सभी Leaf स्विचों के बीच और डेटा सेंटर के बाहर की उच्च गति की कनेक्शन्स का प्रबंधन करता है; यह डेटा सेंटर के पूरे स्विचिंग नेटवर्क का केंद्र है।

चित्र: डेटा केंद्र में, स्पाइन स्विच और लीफ स्विच का चित्रण

स्रोत: ब्रायन मोयर, सेमीकंडक्टर इंजीनियरिंग, डॉल्फिन रिसर्च

और OCS मुख्य रूप से Spine स्विच के स्थान पर उपयोग किया जाता है।

सबसे पहले, स्पाइन स्विच की कीमत अधिक होती है और इसकी ऊर्जा खपत अधिक होती है, इसलिए विकल्प की मांग सबसे अधिक है।

दूसरा, OCS की भूमिका सीमित है, यह केवल संकेत (प्रकाश को परावर्तित) को फॉरवर्ड कर सकता है, जैसे एक परावर्तक दर्पण। लेकिन पारंपरिक स्विच के कार्य अधिक पूर्ण होते हैं, क्योंकि इसे डेटा पैकेट को विघटित करना, IP पता देखना और फिर निर्णय लेना होता है कि इसे कहाँ भेजना है। उदाहरण के लिए, चूंकि OCS केवल आदेशों का पालन कर सकता है और निर्णय लेने की क्षमता नहीं रखता, इसलिए इस स्थिति में इसे केवल Spine स्विच के रूप में उपयोग करना संभव है, लेकिन Leaf स्विच को भी प्रतिस्थापित करने के लिए, "पैकेट प्रोसेसिंग" कार्य को संभालने के लिए अतिरिक्त घटकों, जैसे स्मार्ट नेटवर्क कार्ड (SmartNIC), की आवश्यकता होगी, जिससे यह आर्किटेक्चर जटिल हो जाता है, और यह सबसे अच्छा समाधान नहीं हो सकता।

इस तरह देखने पर, आर्किटेक्चर बहुत स्पष्ट है:

हालांकि वर्तमान चरण में, न्वाडिया द्वारा लॉन्च किए गए Quantum X800-Q3450 और ब्रॉडकॉम द्वारा लॉन्च किए गए Tomahawk 6 - Davisson जैसे CPO रास्ते के स्विच, सभी Spine स्विच हैं, और Google द्वारा बढ़ावा दिए जा रहे OCS स्विच, पारंपरिक Spine स्विच को बदल रहे हैं, जिसके कारण दोनों के बीच प्रत्यक्ष प्रतिस्पर्धा है।

लेकिन अंततः, जबकि OCS के पास Spine स्विच को बदलने का मौका है, उसके बाद, अधिक मात्रा में उपयोग किए जाने वाले Leaf स्विच पर ऑप्टिकल इंजन और ASIC चिप के बीच इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल रूपांतरण, सर्वर के अंदर मदरबोर्ड और मदरबोर्ड के बीच कनेक्शन (नेटवर्क कार्ड ASIC या NVSwitch के माध्यम से), और मदरबोर्ड पर कैलकुलेशन चिप और कैलकुलेशन चिप के बीच तथा कैलकुलेशन चिप और नेटवर्क कार्ड ASIC के बीच कनेक्शन के लिए अभी भी CPO का उपयोग किया जाएगा। इसलिए भविष्य में दोनों एक-दूसरे के सहायक होंगे।

05 संबंधित उद्योग श्रृंखला के चरण क्या हैं?

(1) सबसे पहले, हम CPO के सिद्धांत और आर्किटेक्चर का विश्लेषण करते हैं

CPO को अपग्रेड किए गए ऑप्टिकल इंजन के रूप में देखा जा सकता है, और ऑप्टिकल इंजन का कार्य प्रकाश-विद्युत रूपांतरण करना है, जिसमें मुख्य रूप से निम्नलिखित भाग शामिल हैं:

1. फोटोनिक सर्किट भाग

(1) मॉडुलेटर: प्रकाश की तीव्रता और संकेत को नियंत्रित करके विद्युत संकेत (0/1 डिजिटल) को प्रकाश संकेत में लिखता है।

(2) डिटेक्टर: PD (फोटोडायोड), जो प्रकाश संकेत को विद्युत संकेत में बदलता है।

(3) वेवगाइड: इसे चिप के अंदर मुद्रित सूक्ष्म ऑप्टिकल फाइबर के रूप में समझा जा सकता है।

2. इलेक्ट्रॉनिक सर्किट भाग

(1) ड्राइवर: स्विच या सर्वर से आने वाले कमजोर विद्युत संकेतों को लेजर के प्रकाश को सटीक नियंत्रित करने योग्य विद्युत संकेत में बढ़ाता है, इसलिए ड्राइवर का अगला चरण मॉडुलेटर है।

(2) TIA (ट्रांसइम्पीडेंस एम्पलीफायर): PD द्वारा उत्पन्न अत्यंत कमजोर विद्युत संकेत को बढ़ाकर और भावी सर्किट द्वारा संसाधित किए जाने योग्य वोल्टेज संकेत में परिवर्तित करता है, इसलिए TIA, PD के अगला चरण है।

3, स्रोत, जिसे लेजर कहते हैं

मॉडुलेटर स्वयं प्रकाश उत्सर्जित नहीं कर सकता, लेकिन यह प्रकाश को नियंत्रित कर सकता है, इसलिए इसके साथ एक प्रकाश उत्सर्जित करने वाला घटक आवश्यक है, जो लेजर है।

लाइट इंजन संरचना का चित्रण

स्रोत: ज़ोंग ज़ेगुओ आदि, "400G FR4 सिलिकॉन फोटॉनिक ट्रांसीवर मॉड्यूल का अध्ययन", Dolphin Research

इसके अलावा दो अन्य भाग हैं:

4, DSP और CDR, दोनों को टेलीकॉम सिग्नल को ठीक करने के लिए उपयोग किया जाता है। एक का उपयोग टेलीकॉम सिग्नल के भौतिक क्षति को पूरा करने के लिए किया जाता है, दूसरा क्षतिग्रस्त सिग्नल से सटीक क्लॉक निकालने और डेटा टाइमिंग को पुनः संरचित करने के लिए किया जाता है, जहां DSP चिप आमतौर पर CDR कार्य को एकीकृत करती है।

CPO, LPO के समान एक बात यह है कि दोनों उच्च शक्ति खपत, उच्च लागत और देरी वाले DSP को प्रकाश इंजन से हटा देते हैं। हालाँकि, CPO समाधान में, DSP के कुछ कार्यों को स्विचिंग ASIC में एकीकृत किया जाता है, जबकि LPO एक एनालॉग चिप का उपयोग करके सीधे संकेत को बढ़ाता है। इसके अलावा, CPO CDR को हाई-स्पीड SerDes में एकीकृत करता है।

तो हाई-स्पीड SerDes क्या है? हाई-स्पीड SerDes में Ser (सीरियलाइज़र) और Des (डी-सीरियलाइज़र) शामिल हैं, जो ASIC चिप के अंदर स्थित होते हैं और क्रमशः चिप के अंदर के समानांतर डेटा को हाई-स्पीड सीरियल डेटा स्ट्रीम में पैक करने और हाई-स्पीड सीरियल डेटा स्ट्रीम को डी-पैक करके कई लो-स्पीड समानांतर डेटा पथों में पुनः बनाने के लिए उपयोग किए जाते हैं।

(2) अब पूरी CPO श्रृंखला में कौन-कौन से चरण शामिल हैं:

1, सबसे पहले CPO का समग्र भाग

CPO में ऑप्टिकल एंजिन में उपरोक्त उल्लिखित फोटोनिक सर्किट और इलेक्ट्रॉनिक सर्किट भाग शामिल हैं, और ऑप्टिकल एंजिन ASIC चिप के साथ मिलकर CPO स्विच का मुख्य भाग बनाते हैं। यहाँ पहले एक मुख्य प्रश्न है: यह CPO कौन बनाएगा?

पारंपरिक ऑप्टिकल मॉड्यूल, जो ऑप्टिकल कंपोनेंट्स, डिस्क्रीट डिवाइसेस आदि से बने होते हैं, उन्हें विशेषज्ञ उत्पादक कंपनियाँ पूरी तरह से प्रदान कर सकती हैं, जैसे कि हम जानते हैं—ज़होंगजी शुचुआंग, शिनयीशेंग, कोहेरेंट। तो CPO के बारे में क्या? स्पष्ट है कि अब इनके द्वारा इसका नेतृत्व नहीं किया जा सकता।

हम यह मानते हैं कि CPO के तहत उद्योग के मूल्य का प्रवाह ऐसा होगा:

(1) कोर तकनीक को स्वीकार करने वाले स्वैच निर्माता और प्लेटफॉर्म विक्रेता: डेटा सेंटर सिस्टम प्लेटफॉर्म और स्वैच चिप निर्माताओं जैसे NVIDIA/Google/Broadcom/Marvell को संरचना और मानक परिभाषित करने और पूरे उत्पाद बेचने के लिए;

(2) फैब्रिकेटर: वेफर निर्माण/ऑप्टो-एकीकरण/उन्नत पैकेजिंग के लिए TSMC/Advanced Semiconductor Engineering/Amkor जैसे फैब/एसएमटी फैक्ट्रियाँ;

(3) अपस्ट्रीम आपूर्तिकर्ता: Coherent/Lumentum जैसे डिवाइस निर्माता फोटोनिक डिवाइस के उत्पादन और आपूर्ति को जारी रख रहे हैं।

(4) पारंपरिक ऑप्टिकल मॉड्यूल निर्माता: मध्यवर्ती अवधि के दौरान, जैसे कि NPO, LPO आदि मध्यवर्ती रास्ते और रखरखाव की दृष्टि से विचार किए गए समझौते वाले CPO डिज़ाइन के आधार पर, वे ऑप्टिकल इंजन मॉड्यूल जारी रखते हैं।

2. CPO के कोर ऑप्टिकल इंजन के अलावा, कुछ अन्य कंपोनेंट्स पर ध्यान देने की आवश्यकता है

(1) लेजर

CPO केवल ऑप्टो-इलेक्ट्रिक कन्वर्जन कॉम्पोनेंट्स को एकीकृत कर सकता है, लेकिन लेजर को सीधे एकीकृत करना अभी भी कठिन है, इसलिए अभी भी बाहरी लेजर की आवश्यकता होती है। इसके साथ ही, CPO द्वारा लेजर की शक्ति की मांग में भारी वृद्धि हुई है (कम से कम 3-4 गुना), जिसके साथ-साथ प्रदर्शन और विश्वसनीयता की आवश्यकताएं भी भारी रूप से बढ़ गई हैं, इसलिए इसका मूल्य भी भारी रूप से बढ़ जाएगा।

हालांकि, यहां तकनीकी रास्ते का चयन है:

1) EML लेजर: पारंपरिक रास्ता, जिसमें लेजर और मॉडुलेटर एकीकृत होते हैं, इसका लाभ 200G से अधिक बैंडविड्थ और लंबी दूरी के संचार के लिए उपयुक्त होना है। इस रास्ते को Lumentum, II-VI (Coherent), सुमितोमो जैसे विशालकाय कंपनियों द्वारा एकाधिकार में रखा गया है।

2) CW लेजर: एक उभरती हुई राह, जो लेजर को पूरी तरह से स्वतंत्र बनाती है, जिससे लागत और बिजली की खपत में लाभ मिलता है और भविष्य के CPO रास्ते के साथ अधिक मेल खाती है। CW लेजर की आपूर्ति अपेक्षाकृत लचीली है, और चीन के कंपनियाँ युआनजीए टेक्नोलॉजी, शिजिया ऑप्टोनिक्स, चांगगुआंग हुआक्सिन आदि ने 70mW/100mW उत्पादों का बड़े पैमाने पर उत्पादन किया है और बड़े ऑर्डर प्राप्त किए हैं।

चित्र: EML और CW लेजर के बीच का अंतर दर्शाता आरेख

स्रोत: सुमितोमो इलेक्ट्रिक, डॉल्फिन रिसर्च

अगले चार ऑप्टिकल कंपोनेंट्स हैं, जिनका उपयोग पारंपरिक प्लगइन ऑप्टिकल मॉड्यूल रास्ते में कम किया जाता है:

(2) ऑप्टिकल फाइबर एरे यूनिट (FAU): ऑप्टिकल फाइबर और वेवगाइड के बीच उच्च सटीकता के साथ संरेखण प्राप्त करने के लिए ऑप्टिकल फाइबर को सटीकता से स्थापित करने के लिए।

चित्र: फाइबर एरे यूनिट

स्रोत: Corning, Dolphin Research

(3) पोलराइजेशन मेंटेनिंग फाइबर (PMF): एक विशेष फाइबर है जो प्रकाश तरंग की पोलराइजेशन स्थिति को अपरिवर्तित रखने के लिए उपयोग की जाती है।

(4) ऑप्टिकल डिस्ट्रीब्यूशन बॉक्स (Fiber Shuffle): यह ऑप्टिकल फाइबर को व्यवस्थित करने के लिए उपयोग किया जाता है, जो जटिल उच्च घनत्व उपकरणों में ऑप्टिकल फाइबर की स्थिति के क्रम को पुनः व्यवस्थित कर सकता है।

चित्र: फाइबर शफल का आरेख

स्रोत: Hyoptic, Dolphin Research

(5) ऑप्टिकल कनेक्टर (MPO, Multi-Fiber Push On): बहु-कोर ऑप्टिकल फाइबर के बीच आपसी कनेक्शन के लिए।

चित्र: MPO पोर्ट का सचित्र प्रतिनिधित्व

स्रोत: Senko, US Conec, Dolphin Research

क्यों पारंपरिक ऑप्टिकल मॉड्यूल में उपरोक्त घटकों का उपयोग नहीं किया जाता है?

(1) पारंपरिक मॉडल में, ऑप्टिकल फाइबर को स्टैंडर्ड इंटरफेस में सीधे लगाया जाता है, लेकिन CPO के तहत, ऑप्टिकल फाइबर को ऑप्टिकल चिप की सतह पर स्थित वेवगाइड के साथ उच्च सटीकता के साथ कपल किया जाना आवश्यक है, इसलिए FAU की आवश्यकता होती है;

(2) पारंपरिक मॉडल सीधे मॉड्यूलेशन करता है, जो प्रकाश तरंग की ध्रुवीकरण अवस्था के प्रति संवेदनशील नहीं होता है, और पिछले समय में पोलराइजेशन मेंटेनिंग फाइबर (PMF) की लागत बहुत अधिक थी, जिसके कारण इसका उद्योग-स्तरीय अनुप्रयोग अनुकूल नहीं था, लेकिन CPO बाहरी लेजर से प्रकाश स्रोत प्रदान करता है, जिससे लेजर की ध्रुवीकरण अवस्था से भारी ऊर्जा क्षय होता है, इसलिए PMF का उपयोग अनिवार्य है;

(3) पारंपरिक मॉडल में आमतौर पर केवल दो ऑप्टिकल फाइबर होते हैं, एक भेजने और एक प्राप्त करने के लिए, जिसका बैकप्लेन से कनेक्शन करने के लिए इतना जटिल ऑप्टिकल फाइबर नहीं होता, इसलिए मैनुअल ऑपरेशन पर्याप्त होता है, Fiber Shuffle की आवश्यकता नहीं होती, लेकिन CPO के तहत Fiber Shuffle का उपयोग अनिवार्य होता है;

(4) इसी तरह, पारंपरिक मॉड्यूल को कई इंटरफेस की आवश्यकता नहीं होती, लेकिन CPO के तहत यदि 400G से अधिक हो जाता है, तो 8 या 16 ऑप्टिकल फाइबर समानांतर में ट्रांसमिशन की आवश्यकता होती है, और पैनल स्थान सीमित होता है, इसलिए MPO जैसे मल्टी-कोर कनेक्टर की आवश्यकता होती है।

तो बाजार के क्षेत्र और CPO से संबंधित उद्योग चरणों के निवेश अवसरों के बारे में हम अगले भाग में विश्लेषण करेंगे।