大家好，我是小棗君。

今天，在這篇文章中，我們來談?wù)剶?shù)據(jù)中心的兩項最新黑科技——NPO/CPO。

故事還是要從頭說起。

去年國家出臺了算東算西戰(zhàn)略，引起了全社會的關(guān)注。

所謂東算西算，其實就是數(shù)據(jù)中心的任務(wù)分工調(diào)整我們會把東部沿海地區(qū)的部分計算能力需求轉(zhuǎn)移到西部地區(qū)的數(shù)據(jù)中心

之所以這樣，是因為西部地區(qū)能源資源豐富，自然溫度低，可以大大減少電費和碳排放。

眾所周知，數(shù)據(jù)中心是計算能力的載體現(xiàn)階段我們在搞數(shù)字化轉(zhuǎn)型和數(shù)字經(jīng)濟(jì)，離不開計算能力和數(shù)據(jù)中心可是，數(shù)據(jù)中心的功耗也不容忽視

數(shù)據(jù)顯示，2021年，全國數(shù)據(jù)中心總用電量為2166億千瓦時，占全國總用電量的2.6%，相當(dāng)于兩個三峽水電站的年發(fā)電量和1.8個北京地區(qū)的總用電量。

如此可怕的電力消耗，給我們實現(xiàn)雙碳的目標(biāo)帶來了巨大的壓力。

因此，業(yè)界開始加緊研究如何降低數(shù)據(jù)中心的能耗。

數(shù)據(jù)中心

大家都知道，數(shù)據(jù)中心有一個重要的參數(shù)指標(biāo)，那就是PUE。

PUE =數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備能耗數(shù)據(jù)中心的總能耗包括IT設(shè)備的能耗，以及制冷，配電等其他系統(tǒng)的能耗

我們可以看到，除了主要設(shè)備上用的電，很大一部分能耗是用于散熱和照明。

因此，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排有兩種思路:

1.降低主要設(shè)備的功耗。

2.降低散熱和照明的功耗。

主設(shè)備的功耗挑戰(zhàn)

說到主設(shè)備，大家馬上想到了服務(wù)器是的，服務(wù)器是數(shù)據(jù)中心最重要的設(shè)備它承載了各種業(yè)務(wù)服務(wù)，包括CPU，內(nèi)存等硬件，可以輸出計算能力

但實際上，主要設(shè)備還包括一類重要設(shè)備，即網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，即交換機(jī)，路由器，防火墻等。

目前AI/ML的加速，加上物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，使得數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)壓力越來越大。

這種壓力不僅體現(xiàn)在對計算能力的需求上，還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)流量上數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)接入帶寬標(biāo)準(zhǔn)從過去的10G，40G升級到現(xiàn)在的100G，200G甚至400G

為了滿足流量增長的需求，網(wǎng)絡(luò)本身需要不斷迭代升級因此，更強(qiáng)大的交換芯片和更高速的光模塊都已投入使用

我們先來看看交換芯片。

芯片是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的心臟，其處理能力直接決定了設(shè)備的性能。最近幾年來，交換芯片的功耗有所增加，如下圖所示:

開關(guān)芯片功耗的變化趨勢

值得一提的是，雖然網(wǎng)絡(luò)設(shè)備整體功耗持續(xù)增加，但單比特功耗持續(xù)降低換句話說，能效越來越高

再看光模塊。

光模塊在光通信領(lǐng)域起著重要的作用，它直接決定了網(wǎng)絡(luò)通信的帶寬。

早在2007年，10千兆位光模塊的功率只有1W左右。

從40G，100G到現(xiàn)在的400G，800G甚至后來的1.6T光模塊，功耗提升的速度就像坐上了火箭，一路飆升到30W如您所知，一臺交換機(jī)可以有多個光模塊滿載時，往往有幾十個光模塊

一般來說，光模塊的功耗占總功耗的40%以上這意味著整機(jī)功耗將可能超過3000 W

擁有多臺交換機(jī)的數(shù)據(jù)中心這背后的功耗想想都可怕

除了交換芯片和光模塊，還有一個你可能不熟悉的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備耗電大戶，那就是SERDES。

SerDes是英文SERializer/DESerializer的縮寫在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，它是一個重要的器件，主要負(fù)責(zé)連接光模塊和網(wǎng)絡(luò)交換芯片

簡單來說，就是把來自交換芯片的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸然后，在接收端，串行數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)

如前所述，網(wǎng)絡(luò)交換芯片的能力在不斷提高因此，必須提高SerDes的速度以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?/p>

SerDes速度的提高自然導(dǎo)致功耗的增加。

102.4Tbps時代，SerDes速率需要達(dá)到224G，SerDes芯片功耗預(yù)計達(dá)到300W。

需要注意的是，SerDes的速度和傳輸距離會受到PCB材料工藝的影響，不能無限提高換句話說，當(dāng)SerDes速率增加，功耗增加時，PCB銅箔的能力不足，無法使信號進(jìn)一步傳播只有縮短傳輸距離，才能保證傳輸效果

有點像鉛球比賽鉛球越重，能投的距離越短

具體來說，當(dāng)SerDes速率達(dá)到224G時，最多只能支持5~6英寸的傳輸距離。

這意味著在SerDes沒有任何技術(shù)突破的情況下，必須縮短網(wǎng)絡(luò)交換芯片和光模塊之間的距離。

綜上所述，交換芯片，光模塊，SerDes是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的三座功耗大山。

根據(jù)設(shè)備廠商的數(shù)據(jù)，12年來，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)交換帶寬增長了80倍，背后的代價是交換芯片功耗增長了8倍左右，光模塊增長了26倍，SerDes增長了25倍。

在這種情況下，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗不斷增加。

小早君詳細(xì)介紹了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗挑戰(zhàn)接下來，我們來看散熱

其實相對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗，散熱的功耗才是真正的大頭。

據(jù)統(tǒng)計，交換設(shè)備在典型數(shù)據(jù)中心總能耗中的比例僅為4%左右，不到服務(wù)器的1/10。

但是散熱呢?fù)?jù)CCID統(tǒng)計，2019年中國數(shù)據(jù)中心約43%的能耗用于IT設(shè)備散熱，與45%的IT設(shè)備本身能耗基本持平

即使是現(xiàn)在，國家也對PUE提出了嚴(yán)格的要求按照三級能效計算，散熱占近40%

傳統(tǒng)的散熱方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前高密度數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)發(fā)展需求因此，我們引入了液體冷卻技術(shù)

液冷是一種利用液體作為制冷劑為發(fā)熱部件散熱的新技術(shù)液冷的引入可以降低數(shù)據(jù)中心近90%的能耗數(shù)據(jù)中心的整體能耗可降低近36%

這個節(jié)能效果可以說是非常厲害，直接省電三分之一。

液冷除了散熱更強(qiáng)，耗電更少之外，在噪音，選址，建設(shè)成本方面也有明顯優(yōu)勢。

所以現(xiàn)在幾乎所有的數(shù)據(jù)中心都在采用液冷一些液冷數(shù)據(jù)中心甚至可以將PUE干燥到1.1左右，接近極限值1

液冷，是不是整個設(shè)備都浸在液體里。

不一定。

液體冷卻方案一般包括兩種類型，即浸沒式和冷板式。

浸入式，也叫直接式，是將主設(shè)備中發(fā)熱量高的部件全部浸入冷卻液中進(jìn)行散熱。

冷板式也叫間接式，是將主要的散熱部件附著在一塊金屬板上，然后制冷劑液體在金屬板中流動帶走熱量現(xiàn)在很多DIY組裝的電腦都是冷板

服務(wù)器采用液冷是一項非常成熟的技術(shù)那么，既然要液冷，當(dāng)然如果服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一起用就更好了否則，將需要兩套系統(tǒng)

問題來了我們的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以液冷嗎

NPO/CPO，首次亮相

當(dāng)當(dāng)！經(jīng)過種種鋪墊，我們的主角終于要登場了。

為了盡可能降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作功耗和散熱功耗，在OIF的帶領(lǐng)下，業(yè)內(nèi)多家廠商聯(lián)合推出——NPO/CPO技術(shù)。

2021年11月，國內(nèi)設(shè)備廠商銳捷網(wǎng)絡(luò)發(fā)布全球首款25.6T NPO冷板液冷開關(guān)2022年3月，他們發(fā)布了51.2T NPO冷板液冷開關(guān)

核電站冷板液冷開關(guān)

NPO，英文全稱Near packaged optics，近封裝光學(xué)CPO，英文全稱Co—packaged optics，共同封裝光學(xué)

簡單來說，NPO/CPO就是包裝網(wǎng)絡(luò)交換芯片和光引擎的技術(shù)。

我們傳統(tǒng)的連接方式叫做可插拔光引擎是可插拔的光學(xué)模塊光纖來了之后，插入光模塊，然后通過SerDes通道送到網(wǎng)絡(luò)交換芯片

CPO是將交換芯片和光引擎組裝在同一個插座上，形成芯片和模塊的共封裝。

NPO是將光引擎從交換芯片中分離出來，組裝在同一個PCB基板上。

你可以看到CPO是終極形態(tài)，NPO是過渡階段NPO更容易實現(xiàn)，也更開放

集成的目的很明確，就是縮短交換芯片與光引擎之間的距離，使高速電信號在兩者之間高質(zhì)量傳輸，并滿足系統(tǒng)的BER要求。

縮短距離，保證高速信號的高質(zhì)量傳輸。

集成后可以實現(xiàn)更高密度的高速端口，提高整機(jī)的帶寬密度。

此外，集成使得元件更加集中，也有利于引入冷板液冷。

o在NPO開關(guān)內(nèi)部，可以看到開關(guān)芯片與光引擎之間的距離大大縮短。

NPO/CPO技術(shù)的背后，其實是一種非常流行的硅光技術(shù)。

硅是以光子和電子為信息載體的硅基光電子大規(guī)模集成技術(shù)簡單來說，就是在一個硅基襯底上集成多種光器件，成為一個集成的光電路這是一個微型光學(xué)系統(tǒng)

硅之所以如此受歡迎，根本原因是微電子技術(shù)已經(jīng)逐漸逼近性能極限，傳統(tǒng)的電子芯片在帶寬，功耗，時延等方面越來越顯得力不從心所以光學(xué)芯片的新賽道被改了

NPO/CPO轉(zhuǎn)換的進(jìn)展

NPO/CPO技術(shù)是目前各大廠商的熱門研究方向尤其是NPO，因為擁有最好的開放生態(tài)，產(chǎn)業(yè)鏈更成熟，能最快獲得成本和功耗的收益，所以發(fā)展更快

前面提到了銳捷網(wǎng)絡(luò)的25.6T硅NPO冷板液冷交換機(jī)。

這款NPO交換機(jī)基于112G SerDes的25.6T交換芯片，高度為1RU前面板支持帶有64個連接器的400G光纖接口它由16個1.6T NPO模塊組成，支持8個ELS/RLS

在散熱方面，采用不導(dǎo)電冷卻液的冷板冷卻方式。

51.2T硅光NPO冷板液冷交換機(jī)高度不變，NPO模塊由1.6T升級為3.2T前面板支持64個800G連接器，每個連接器可分為兩個400G端口，實現(xiàn)前向兼容外部光源模塊的數(shù)量已經(jīng)增加到16個

51.2噸NPO冷板液冷式換熱器

在實際組網(wǎng)中，51.2T NPO交換機(jī)可以作為接入放大器應(yīng)用于100G/200G接入網(wǎng)，設(shè)備，并實現(xiàn)高速互聯(lián)。

值得一提的是，NPO/CPO的技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)并不是一件簡單的事情，其背后是對一個企業(yè)整體R&D實力的考驗。

此次銳捷網(wǎng)絡(luò)能夠在全球推出NPO/CPO產(chǎn)品，是他們持續(xù)投入艱苦研發(fā)和創(chuàng)新的結(jié)果，也體現(xiàn)了他們在該領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先性。

銳捷網(wǎng)絡(luò)2019年開始關(guān)注硅光領(lǐng)域的技術(shù)，2020年6月正式成立R&D和產(chǎn)品團(tuán)隊作為OIF/COBO的成員，他們一直參加工作組的全球性會議，并參與有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的討論和制定

OIF工作組全球會議現(xiàn)場

在硅光方向，銳捷網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)走在世界前列，未來可期。

結(jié)論

好了，介紹了這么多，相信你已經(jīng)明白什么是NPO/CPO了。

這兩項技術(shù)無疑是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)展方向在當(dāng)前的數(shù)字化浪潮中，我們對計算能力和網(wǎng)絡(luò)通信能力的追求是無止境的在追求性能的同時，也要努力平衡功耗畢竟要走可持續(xù)發(fā)展的道路

希望以NPO/CPO為代表的硅光科技能夠進(jìn)一步加速落地，為綠色低碳的信息基礎(chǔ)設(shè)施做出貢獻(xiàn)。

未來硅光技術(shù)會帶來怎樣的技術(shù)創(chuàng)新。讓我們拭目以待！

——全文完畢——

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