高能效光互连(200G LPO、慢而宽光互连、RF微波)与液冷系统

在AI数据中心需求持续爆发的背景下，降低光学传输与连接系统的功耗、优化散热架构已成为行业核心诉求。在HotI 2025会议上，Arista Networks的Andy大佬从高效光学技术与液冷系统两大维度，全面解析当前行业内的技术进展、200G /lane LPO初步测试成果、面临挑战及解决方案。

一、高效光学系统：低功耗与性能的平衡探索

◆ 线性接口的功耗优势：LPO的典型案例

线性接口在接口光学中带来的功耗降低已成为行业共识，且这种优势与接口类型（LPO、NPO、CPO）的关联性较弱。以LPO（线性可插拔光学）为例，传统DSP光学模块的功耗表现如下：第一代1.6T DSP模块功耗为30W，基于3nm制程的版本降至25W，而LPO版本直接低至10W，单模块功耗实现显著下降。

若进一步考虑低风扇功耗带来的额外节能，在风冷系统中，LPO技术的系统级功耗节省可接近50%，这对AI数据中心的整体能效优化具有重要意义。

◆ 200Gb/ lane LPO模块的测试进展与挑战

当前200Gb/ lane LPO模块的测试仍处于早期阶段，已获取的初步数据呈现出明显的方向差异：

- 接收方向表现优异：从光学TIA（跨阻放大器）到交换芯片的接收链路性能良好，即便在D2D（芯片到芯片）插入损耗超过20dB的情况下，仍能实现极低的误码率，满足技术指标要求。

- 发射方向还需要优化：发射链路对反射极为敏感，尤其是OSFP连接器处的反射问题，需进一步优化以提升性能；同时，OSFP连接器层面还存在串扰现象——从TIA输出的Rx（接收） lanes与输入至驱动器的Tx（发射） lanes之间会产生信号干扰。

针对上述问题，目前已有初步解决方案思路：采用飞线电缆（flyover cables）可改善信号传输质量，OSFP电缆型连接器的性能显著优于PCB板载连接器，而采用传统走线的PCB板布局仍可支持LPO模块。此外，新一版优化的LPO DRV与TIA仍处于研发阶段，预计这些芯片量产落地后，LPO模块的整体性能将进一步提升。Arista对于200G LPO的可行性还是持乐观态度的。

◆ 多类节能传输技术的功率效率分析

除LPO外，行业内还在研发多种低功耗传输技术，包括慢而宽（slow and wide optics）的microLED/VCSEL、200G VCSEL、RF微波技术等。

MicroLED：微软研究院SIGCOMM论文：MicroLED光互连技术打破光铜取舍，实现高带宽、低功耗、高可靠三者兼得

RF微波技术：高速RF收发芯片+塑料波导：＜3pJ/b能效＋近零时延e-Tube技术为AI集群提供低功耗高可靠互联方案

补充一下RF方案原理和时延的说明

在评估这些技术的功率效率时，需遵循统一的计算标准：

- 功率数值均归一化至“壁插功率”（Wall plug power）或ORv3机架的50V母线水平，避免因基准差异导致的对比偏差；

- 功率效率基于200Gb计算而非224Gb（后者会使效率结果偏高10%）。

不同技术的功率效率表现具体如下：

（1）100Gb/ lane到200Gb/ lane的技术迭代

200Gb/ lane技术的光学引擎功耗较100Gb/ lane降低近一半，尽管电功耗也有下降（主要源于制程升级：100G serdes多基于5nm制程，200Gb serdes多采用3nm制程），但光学引擎的功耗降幅更为显著。实际应用中(硅光方案)，电接口功耗约为10pJ/bit，光学引擎功耗约为6pJ/bit，两者结合实现了整体能效的跃升。

（2）200Gb LR serdes的技术拓展

在200Gb LR（长距离）serdes基础上，搭配不同光学组件可进一步优化功耗：例如采用高线性度环形辅助调制器（ring assisted modulators）或未来的RF微波芯片（虽传输距离有限，但功耗更低），有望实现约20%的额外功耗降低，进一步拓展低功耗应用场景。

（3）400Gb/ lane的技术挑战

400Gb/ lane目前仍处于预测阶段，基于2nm制程的serdes有望进一步降低电功耗，线性接口的光学部分功耗也将略有下降，理论上400Gb LPO模块可实现低功耗运行。但该技术面临核心瓶颈——电通道设计难度极大：

- PAM4信号（交换芯片输出的106GHz奈奎斯特频率信号）即便通过飞线电缆传输至前面板可插拔模块，仍难以稳定工作；

- 行业普遍考虑采用电侧PAM6解决方案，再通过DSP芯片转换为光侧PAM4信号，但DSP芯片会完全抵消功耗优势，导致400Gb模块功耗远高于200Gb LPO、RF微波等技术。

（4）慢而宽光学技术的特点

以50Gb NRZ（不归零码）技术为例，慢宽光学的核心是通过“逆齿轮箱”（inverse gearbox）将高速通道转换为低速通道（其他方案还包括25Gb、4Gb microLED等）。逆齿轮箱基于先进制程时，功耗约为3.5-4pJ/bit，光学部分功耗则因技术类型不同在1 pJ/bit以上，整体功耗取决于组件的搭配方式。在这张表格统计中，可以看到BoW结合慢而宽50G VCSEL的功耗表现最优。

OCP Optical BoW 2.1光互连规范解析

综上，功耗最低的方案当属慢而宽的光学类技术(VCSEL、microLED)，其次是适用于短距离场景的RF微波方案，再之后是各类硅光技术方案。

◆ 大规模量产（HVM）对光学技术的关键意义

无论某种光学技术的性能与能效多么优异，若无法实现大规模量产（HVM），则难以具备实际应用价值。当前先进光学封装的量产面临显著挑战：即便经验丰富的技术团队，也常遭遇上市时间延迟问题；若将先进光学封装与下一代GPU或交换芯片结合，还会在GPU本身的量产风险基础上叠加光学封装的风险——缺少适配的光学组件，GPU与交换芯片将无法正常交付。

因此，只有经过量产验证的光学技术，才能被视为低风险方案，具备大规模应用的条件。例如前面所展示的，将原生50Gb每通道（也可能是32Gb每通道）光学组件，以基板级封装的形式与GPU交换ASIC共封装，确实能实现低功耗。但在得到验证之前，这种方案仍存在显著的量产风险。相比之下，可插拔光模块无疑解决了各类光学技术（包括LPO、LRO、DSP、硅光、EML、VCSEL、RF及慢而宽光学等）的可维护性与可支持性问题。

二、液冷系统：AI数据中心的散热刚需与技术创新

◆ 液冷交换机的必要性与核心优势

在液冷AI数据中心中，空调系统仅能处理背景热负荷，无法为交换机等设备提供有效散热，因此液冷交换机成为必然选择。液冷交换机的优势主要体现在三方面：

1. 降低整体功耗：移除风扇可节省总功率的5%-10%（具体比例取决于环境温度），直接优化数据中心的能效指标；

2. 提升光学可靠性：风扇振动也是影响光学组件故障率的重要因素之一（振动减少可降低光学适配偏差）；

3. 延长组件寿命：较低的工作温度可提升包括光学组件在内的所有部件的可靠性，降低运维成本。

◆ ORV3机架的优化方向：ORV3W宽机架提案

行业内已提出多种液冷ORV3机架方案（如HPR——高性能机架，支持144kW母线，包含英伟达等企业的技术贡献），但这些方案均未解决交换机机架的核心需求：充足的光纤与电缆布线空间，以及交换机blades的便捷插入机制。

针对这一痛点，Arista提出“ORv3W宽机架”方案（“W”代表“wide”），其核心设计目标是适配下一代高密度交换机，具体特点如下：

- 充足布线空间：提供充裕的光纤和电缆通道空间，支持1000-2000根光纤电缆。

- 高设备容纳量：可容纳最多16个2U交换机刀片（总320U有效负载空间），同时兼容4U电源架、4U管理交换机、4U配线架。

- 便捷安装维护：支持交换机刀片无工具安装，配备带注入器/弹出器的标准化导轨系统，确保设备稳固固定。

- 精准液冷连接：液冷快速接头在X、Y、Z三个维度均精准定位，保障液冷系统稳定运行。

- 兼容现有技术：内部保留标准ORv3架构，可复用ORv3 HPR2电源架及机架级管理系统。

关键参数如下：

- 尺寸：宽度800-900毫米（英制31.5-35.4英寸），深度与HPR机架一致为1218毫米（48英寸），高度2200毫米（含支脚），采用双深层电缆通道设计。 - 功率与供电：支持60kW或120kW功率（均为n-1冗余配置），配备50V单母线。 - 有效负载：总320U有效负载空间，可配置16个2U交换机、4U光纤配线架、4U带外/管理交换机、4U电源供应器等。

Arista目前已计划将方案提交至OCP，希望通过推动高密度液冷交换机的标准化应用，避免出现大量客户定制化解决方案，降低制造商的研发与生产复杂度。目前该方案仍处于研发阶段，旨在为高密度交换机的落地提供关键架构支撑。

三、总结

AI数据中心的持续扩张对光学传输能效与散热架构提出了严苛要求。在光学领域，线性接口（如LPO）、慢而宽光学、RF微波等技术通过制程升级与组件优化，实现了功耗的显著降低，但高量产验证仍是技术落地的关键；在散热领域，液冷交换机成为刚需，ORv3W宽机架方案则为高密度交换机的部署提供了标准化架构思路。这些技术的协同发展，将为AI数据中心的高效、稳定运行提供核心支撑，同时推动行业向标准化、低功耗方向持续演进。