浅谈CPO与LPO，到底有什么不一样？

最近在读CPO和LPO相关资料，今天来简单聊聊，也算是学习总结。

传统的光模块是独立于交换芯片之外，通过铜缆或光纤与其他电子组件相连，这种方式在高速信号传输过程中容易产生较大的功耗和信号损耗。特别是，DCI等网络速率逐渐从400G发展到800G，甚至1.6T，不久的将来可达到3.2T，单个光模块的功耗也在增加。

图1-数据中心连接速率路线图

比如说：SFP模块的功耗在2W左右，100G光模块的功耗一般在1.5W~3W，400G QSFP-DD DR4光模块功耗可控制在大约12W以内，800G光模块的功耗在12W至16W之间浮动。

随着速率的提升，因为单个光模块的功耗在直线上升，从而导致整机功耗大大增加。

我们从器件封装上来分析，在器件封装过程中，当信号速率从56Gbd提升一倍至112Gb/s时，对于给定长度的低损耗PCB走线，即使我们使用先进的PCB材料，插入损耗也将大约增加一倍。

通常来说，电气通道越短，中间转换（过孔、连接器）过程越少，信号完整性问题就越容易管理，也就促使将光学器件移动到内部，尽可能靠近ASIC，从而可以有效的降低功耗。据此，目前产生了两种主要解决方案，分别是：

• CPO：Co-Packaged Optics，光电共封装模块；
• LPO：Linear Photonic Optical，线性驱动可插拔模块。

图2-从可插拔到CPO与LPO

什么是CPO？

我们知道，传统的光模块是独立于交换芯片之外，通过铜缆或光纤与其他电子组件相连，这种方式在高速信号传输过程中容易产生较大的功耗和信号损耗。

CPO封装正式为解决这一问题，通过将光模块和交换芯片紧邻封装在一起，可以极大地减少了信号在电光转换和传输过程中的距离，从而显著降低功耗、提高信号完整性、减少延迟，并且缩小了其体积。

下图展示了从传统铜质DAC和可插拔光器件到 3D集成光学器件的CPO路线。

图3-CPO演进路线图

从上图可以看出，在如何减少连接的线性距离时，不是一步到位的，先是NPO近封装光学技术，再是CPO。

NPO是将光学引擎和开关芯片解耦，再将它们组装在同一块系统板上。

图4-NPO封装

而CPO则是直接将开关芯片和光引擎组装在一个插槽中，实现了芯片和模块的共同封装。相比NPO，CPO 的模块与主机ASIC的距离更近，可以实现更低的信道损耗和功耗。

图5-CPO封装

目前，CPO有三个阶段，分别是：

• A型CPO（对应图3从上往下第4阶段-2.5D CPO）；
• B型CPO（对应图3从上往下第5阶段-2.5D Chiplet CPO）；
• C型CPO（对应图3从上往下第6阶段-3D CPO）。

从A型到C型，特点是光学引擎与开关ASIC距离越来越短。

其中，在今年的OFC上，Intel、思科等大厂展示了A型CPO产品。A型CPO的特点是芯片和光模块做成了完全标准化独立的组件，再通过PCB基板共封装在一起。光引擎与芯片之间的距离在10cm以内，并完全舍弃oDSP。

图6-A型 CPO封装

在OFC上，博通展示了其Bailly 51.2T交换机，采用的是B型CPO解决方案，共8个6.4T-FR4 Bailly SCIP 光引擎，带 Broadcom 光纤连接器 （BFC）。与A型CPO区别倒不是很大，ASIC和光模块之间还是相对解耦，但是引入了晶圆级的package技术，进一步将两套组件拉进了，距离在几厘米内。

图7-B型 CPO封装

图8-博通Bailly SCIP 光引擎CPO平台

C型3D封装CPO是CPO的最终形态，是真正完全意义上的CPO。它将硅光芯片与其他裸die（如GPU、Lanswitch、HBM等）封装在一个大的Package里，是为CPO的最终形态。

CPO的目的之一是为了降功耗，在图2中我们看到，400G ZR光模块的功耗大部分集中在DSP上，因此，无论是CPO还是后面要聊到的LPO，设计核心在于去DSP化。只是去法不一样。

但我们不能说，CPO没有DSP，为了实现高速信号的调制解调、编码解码以及信号补偿等功能，CPO仍需要集成DSP功能或者与具有DSP功能的电芯片协同工作。也就是说，在CPO方案中，DSP要么直接集成在封装内的某个芯片上，要么通过极其紧凑且高效的连接方式与之紧密结合，以实现所需的信号处理功能。

图9-中国计算机互连技术联盟 CPO 及 Chiplet 标准

什么是LPO技术

LPO，即线性驱动可插拔光模块，是一种光模块封装技术。无论是CPO还是LPO，相对传统光模块，主要目的之一就降功耗，而DSP的功耗在整个模块中的占比又是最高的。

图10-400 ZR光模块的功耗分布图

因此，对于LPO来说，其直接表征在于去 DSP 化，在数据链路中只使用线性模拟元件，无CDR或DSP的设计方案。通过使用具有优异线性度和均衡能力的转阻放大器（TIA）和驱动芯片（DRIVER）来替代DSP。

ODCC在2023年发布了112G LPO光模块应用白皮书。其中涉及到LPO 模块的设计，其框图如下：

图11-LPO 模块的设计框图

• 去除CDR/oDSP等re-timer组件；
• 使用性能更优、SI补偿能力更强的的DRV/TIA电芯片；
• 将部分补偿功能集成到网络设备ASIC芯片；
• 原来由oDSP实现的信号再生、数字信号补偿功能，变成通过网络设备ASIC芯片、DRV和TIA进行分段补偿。

需要注意的是，这里与CPO有些不同，LPO的去DSP，是真正不想在光模块中的电芯片中搞DSP，而是将DSP功能放在系统设备侧来实现。下图更直观的展示了传统基于DSP/Retiming方案与LPO方案的异同。

图12-LPO方案与含DSP方案的对比

在接口方面，LPO对模块本体的封装没有要求，不管是QSFP，还是QSFP-DD，亦或是OSFP、OSFPXD等均可以实现LPO方案。

在产业内，Macom、Semtech、美信等在DSP领域较弱的电芯片厂商，正在大力推进LPO。主要原因是希望通过 LPO 方案绕开 DSP 短板。目前LPO方案标准化未成熟，主要涉及到电接口和光接口。

其中电接口主要是OIF的CEI-112G-Linear-PAM4协议，据了解，截至最后一次更新的（2024年4月），CEI-112G-Linear-PAM4标准已经有了实质性进展，并且已经被业界采纳和实施，至少在产品层面已有海信等公司推出基于此标准的800G线性互联光缆。

在光接口方面，IEEE802.3系列协议是成熟通用的标准，Retime类可插拔光模块均需符合该协议。如果可以做到符合802.3协议，LPO则可以实现最大意义上的“互联互通”。

CPO与LPO的区别

无论是CPO还是LPO，目前仍在不断发展中。CPO封装和LPO封装各有其特点和优势。CPO封装技术注重光电共封装，适用于高速高密度互联传输场景；而LPO封装技术则注重可插拔性和成本效益，适用于短距离传输场景。

在CPO框架内，如果系统设备发生故障，需要关闭电源并更换整个板卡，这对于维护任务来说是相当不便的。相比之下，LPO光模块的可插拔使得在不关闭整个系统的情况下能够高效更换，进一步提升了LPO解决方案的整体便利性，简化光纤布线和设备维护流程。

图13-几种方案的对比

整体上来讲，LPO是可插拔光模块向下演进的技术路线，相较于CPO方案更容易实现、确定性更强。

但据一些专家，LPO技术给系统端的电信道带来重要的设计问题。目前SerDes的主流规范是112G，不久将升级到224G。专家认为，LPO技术无法满足224G SerDes的要求。