OFC2024：爱立信视角-CPO与相干光收发器技术，如何提升RAN网络能效？

爱立信在OFC2024上认为：传统光通信系统的研究主要集中在提高性能上，例如提升比特率或减少延迟，但对能效的关注却远远不够。如果继续沿用当前的设计实践，通信网络的能耗将随着数据流量的激增而变得不可持续。

下面让我们一起跟随大厂视角，看看光收发器领域的一些创新，如CPO共封装技术和相干光收发器等，如何为无线RAN网络甚至未来的6G RAN，提供高容量和低能耗的解决方案。

CPO共封装光收发器

随着硅光子学和半导体制造工艺的进步，共封装光学（CPO）收发器技术已经能够实现高达每秒兆比特/平方毫米的光互连带宽密度。这种技术在互联速度达到200 Gbit/s 时尤其显著，因为相比之下，传统的铜互联在这个速度下会在数字信号处理（DSP）和信号重定时器（Retimer）之间的连接上消耗大量能量。

CPO技术通过在同一基板上集成光学组件和硅电路来解决这一能耗问题，提供了一种更高效的替代方案。与铜互连相比，CPO使用的光纤或波导损耗极小，并且具有对电磁干扰的免疫性，这使得它在高速数据传输应用中更具优势。

此外，将Optical chiplet光芯片放置在ASIC附近，也可以最小化降低两者之间的电气接口的损耗和阻抗的不连续性，从而进一步显著节省电力。

我们知道，CPO最初是为数据中心设计的，用于超大容量交换机的互联。那么CPO在无线RAN网络中会有用武之地吗？

在无线RAN技术发展过程中，从厘米波到亚太赫兹波，天线单元尺寸越来越小，功耗设备如数字ASIC和射频前端，通过高速互连（高达数太比特/秒）都被挤压在一个小区域内，非常容易形成高温热点。

而CPO技术通过避免重定时器的降低功耗技术，提供了一种有效的解决方案。不同的是，如RAN场景中需要使用单模标准光纤（SSMF）而不是保持偏振光纤（PMF）来连接激光器和调制器。一个原因是SSMF的多光纤光连接器更便宜。第二个就是，SSMF更适合户外安装和RAN中有较长光纤长度连接的场景，如外部激光器可以与天线杆底部的电源放置在一起，调制器位于杆顶的无线电单元内。

在互联场景上，RAN中有三种情况可以使用CPO，分别是站点互连、站点内互连和板上互连，各能耗目标如下表：

但是据评估，这个功耗目标使用ASIC和CPO之间的数字电接口互联也是很难实现的。

为此，OIF开始规范112Bbit/s的LR线性CEI接口（CEI-112G-LR），也就是LRO（Linear Receive Optics）方案，即在发射端（Tx）使用重定时器（Retimer），线性接收器直接驱动到主机 ASIC。这个方案是是通过省略CPO收发器内的电气重定时器，实现了功耗的降低。

但是，发射端需要采用线性调制器驱动器，而接收端则引入了线性跨阻放大器，这样可以保证在高速互连中常用的PAM-4信号保持其完整性，不被扭曲。

这里多提一嘴，与在LRO方案相比较的还有一个线性可插拔光学器件LPO方案，LPO 将 DSP 从收发器中完全移除，以节省功耗和成本，同时依靠主机 ASIC 执行大部分信号调理和通道均衡。而与LPO的不同是LRO 从模块接收路径中删除 DSP，但将 DSP 保留在模块发送路径中。

传统光模块，LPO与LRO

回到咱们的主题，根据涉及几个CPO生产商的调查，使用LRO线性接口可以使光收发器功耗降低约50%。但是，对于整个系统而言，由于没有了重定时等，ASIC芯片需要更高效的LR均衡器（同时也更耗能）来补偿这些综合损伤，实际功耗大约降低30%。另外，即使是CEI-112G-XSR短距离接口也需要采用OIF接口规定的长距离均衡器。

此外，另一种逐渐受到关注的方法是避免使用串行器/解串器（SERDES），转而使用多个低速并行线性链路，例如通用芯片互连快速（UCIe）接口。不过，SERDES架构、配置以及电气和光学接口参数的标准化，仍是目前整个行业面临的挑战。

相干光收发器

随着硅光子学和半导体制造工艺的进步，预计相干光收发器的成本将在未来几年内降低，使其能够在成本敏感的移动前传、聚合和接入等场景中使用。通过使用相干光收发器实现的长传输距离，可以显著提高整个网络的能效。但天下没有免费的午餐，相干光收发器在发射端需要数字模拟转换（DAC），在接收端除了模拟数字转换（ADC）和数字信号处理（DSP）之外，众所周知，这些功能都是耗电大户。

相干光模块功耗趋势

从上图可以看出，相干光模块的功耗从2013年的每比特1800皮焦耳降低到2020年的每比特200皮焦耳，但这一趋势正在趋于平稳。

爱立信认为，尽管目前取得了这一进展，但能效仍然是当前面临的一项挑战，仅靠更小的集成电路工艺节点已无法承受。这就要求在收发器架构上进行更激进的创新，比如：DAC和ADC可以通过自适应方法来提高能效。另外当链路条件允许时，也可以考虑将DSP的一些功能降低或甚至关闭掉。

最后，或许在未来，能够将DAC等功能从电气域转移到光学域上，可能会大幅降低功耗，但技术上仍处于早期阶段。