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数据中心的黑科技——究竟什么是NPO/CPO？

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数据中心的黑科技——究竟什么是NPO/CPO？

这两项手艺，是数据中心网络装备毫无疑问的生长偏向。在现在的数字化浪潮下，我们对网络通讯能力的追求是无止境的。在追求性能的同时，我们也要起劲平衡功耗。

宣布时间：2022-10-25
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我想谈论

今天这篇文章，我们来聊聊数据中心的两项最新黑科技—NPO/CPO。

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故事照旧要重新最先讲起。

去年，国家宣布了“东数西算”战略，吸引了全社会的关注。

所谓“东数西算”，着实就是数据中心的使命分工调解。我们将东部沿海地区的部分需求，转移到西部地区的数据中心完成。

之以是这么做，就是由于西部地区能源资源较量充分，并且自然温度较低，可以大幅镌汰电费以及碳排放。

现阶段我们大搞数字化转型和数字经济，离不开数据中心。可是，数据中心的耗电问题，无法忽视。

凭证数据显示，2021年天下数据中心总用电量为2166亿千瓦时，占天下总用电量的2.6%，相当于2个三峡水电站的年发电量，1.8个北京地区的总用电量。

云云恐怖的耗电量，对我们实现“双碳”目的造成了很大压力。

于是乎，行业最先加紧研究，事实怎样才华将数据中心的能耗降下来。

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数据中心（IDC）

各人应该都知道，数据中心有一个主要的参数指标，那就是PUE（Power Usage Effectiveness，电能使用效率）。

PUE=数据中心总能耗/IT装备能耗。其中数据中心总能耗，包括IT装备能耗，以及制冷、配电等其它系统的能耗。

我们可以看出，除了用在主设惫亓电量之外，尚有很大一部分能耗，用在散热和照明上。

以是，捣鼓数据中心的节能减排，思绪就在两点：

1、镌汰主装备的功耗

2、镌汰散热和照明方面的功耗（主要是散热）

█ 主装备的功耗挑战

提及主装备，各人马上就想到了服务器。是的没错，服务器是数据中心最主要的装备，它上面承载了种种营业服务，有CPU、内存等硬件。

但现实上，主装备还包括一类主要的装备，那就是网络装备，也就是交流机、路由器、防火墙等。

现在，AI/ML（人工智能/机械学习）的加速落地，再加上物联网的高速生长，使得数据中心的营业压力越来越大。

这个压力不但体现在需求上，也体现在网络流量上。数据中心的网络接入带宽标准，从已往的10G、40G，一起提升到现在100G、200G甚至400G。

网络装备为了知足流量增添的需求，自身也就需要一直迭代升级。于是乎，更强劲的交流芯片，尚有更高速率的光�？�，一切最先用上。

我们先看看交流芯片。

交流芯片是网络装备的心脏，它的处置惩罚能力直接决议了装备的能力。这些年，交流芯片的功耗水涨船高，如下图所示：

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交流机芯片功耗转变趋势

值得一提的是，虽然网络装备的总体功耗在一连提升，可是，单Bit（比特）的功耗是一连降低的。也就是说，能效越来越高。

再看光�？�。

光�？樵诠馔ㄑ读煊�，拥有主要的职位，直接决议了网络通讯的带宽。

早在2007年的时间，一个万兆（10Gbps）的光�？�，功率才1W左右。

随着40G、100G到现在的400G，800G甚至以后的1.6T光�？�，功耗提升速率就像坐上了火箭，一起飙升，直逼30W。各人可要知道，一个交流机可不止一个光�？�，满载的话，往往就有几十个光�？椋ㄈ羰�48个，就是48×30=1440 W）。

一样平常来说，光�？榈墓脑寄颊牡�40%以上。这就意味着，整机的功耗极大可能会凌驾3000 W。

一个数据中心，又不止一交流机。这背后的功耗，想想都很恐怖。

除了交流芯片和光�？橹�，网络装备尚有一个各人可能不太熟悉的“耗电大户”，那就是——SerDes。

SerDes是英文SERializer（串行器）/DESerializer（解串器）的简称。在网络装备中，它是一个主要器件，主要认真毗连光�？楹屯缃涣餍酒�。

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简朴来说，就是将交流芯片出来的并行数据，转换成串行数据举行传输。然后，在吸收端，又将串行数据转换成并行数据。

前面提到，网络交流芯片的能力在一直提升。因此，SerDes的速率也必需随之提升，以便知足数据传输的要求。

SerDes的速率提升，自然就发动了功耗的增添。

在102.4Tbps时代，SerDes速率需要抵达224G，芯片SerDes（ASIC SerDes）功耗预计会抵达300W。

需要注重的是，SerDes的速率和传输距离，会受到PCB质料工艺的影响，并不可无限增添�；痪浠八�，当SerDes速率增添、功耗增添时，PCB铜箔能力缺乏，不可让信号撒播得更远。只有缩短传输距离，才华包管传输效果。

这有点像扔铅球角逐，当铅球越重（SerDes速率越高），你能扔的距离就越短。

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详细来说，SerDes速率抵达224G时，最多只能支持5~6英寸的传输距离。

这意味着，在SerDes没有手艺突破的条件下，网络交流芯片和光�？橹涞木嗬�，必需缩短。

综上所述，交流芯片、光�？椤erDes，是网络装备的三座“功耗”大山。

凭证装备厂商的数据显示，已往的12年时间，数据中心的网络交流带宽提升了80倍，背后的价钱就是：交流芯片功耗提升约8倍，光�？楣奶嵘�26倍，交流芯片SerDes功耗提升25倍。

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信息泉源：2020 Cisco and/or its affiliates.All rights reserved.Cisco Public

在此情形下，网络装备在数据中心内的功耗占比，随之一直攀升。

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网络装备（红色）的能耗占比

数据泉源：Facebook-OIF CPO Webinar 2020

█ 散热的功耗挑战

前面小枣君仔细先容了网络装备的功耗挑战。接下来，我们再看看散热。

事实上，相比对网络装备的功耗提升，散热的功耗才是真正的大头。

凭证数据统计，交流装备在典范数据中心总能耗中的占比，仅仅只有4%左右，还不到服务器的1/10。

可是散热呢？凭证CCID数据统计，2019年中国数据中心能耗中，约有43%是用于IT装备的散热，基本与45%的IT装备自身的能耗持平。

即即是现在国家对PUE提出了严酷要求，凭证三级能效（PUE=1.5，数据中心的限制值）来算，散热也占了快要40%。

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古板的散热方法（风冷/空调制冷），已经不可知足目今高密数据中心的营业生长需求。于是，我们引入了液冷手艺。

液冷，是使用液体作为冷媒，为发热部件散热的一种新手艺。引入液冷，可以降低数据中心能近90%的散热能耗。数据中心整体能耗，则可下降近36%。

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这个节能效果，可以说是很给力了，直接省电三分之一。

除了散热更强更省电之外，液冷在噪音、选址（不受情形天气影响）、建设本钱（可以让机柜接纳高密度结构，镌汰机房占地面积）等方面也有显著优势。

以是，现在险些所有的数据中心，都在接纳液冷。有的液冷数据中心，甚至可以将PUE干到1.1左右，靠近1的极限值。

液冷，是不是把整个装备所有浸没在液体里呢？

纷歧定。

液冷的计划，一样平常包括两种，划分是浸没式和冷板式。

浸没式，也叫直接式，是将主装备里发热量大的元器件，所有浸入冷却液中，举行散热。

冷板式，也称间接式，是将主要散热部件与一块金属板贴合，然后金属板里有冷媒液体流动，把热量带走。现在许多DIY组装电脑，就是冷板式。

服务器接纳液冷，已经是很是成熟的手艺。那么，既然要上液冷，虽然是服务器和网络装备一起上，会更好啊，不然还要搞两套系统。

问题来了，咱们的网络装备，能上液冷吗？

█ NPO/CPO，闪亮登场

当当当！铺垫了那么多，我们的主角，终于要闪亮登场了。

为了尽可能地降低网络装备的自身事情功耗以及散热功耗，在OIF（光互联网络论坛）的主导下，业界多家厂商，配合推出了——NPO/CPO手艺。

2021年11月，海内装备厂商97国际网络（Ruijie Networks），宣布了25.6T的NPO冷板式液冷交流机。2022年3月，他们又宣布了51.2T的 NPO冷板式液冷交流机（看法机）。

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NPO冷板式液冷交流机

NPO，英文全称Near packaged optics，近封装光学。CPO，英文全称Co-packaged optics，共封装光学。

简朴来说，NPO/CPO是将网络交流芯片和光引擎（光�？椋┚傩�“封装”的手艺。

我们古板的毗连方法，叫做Pluggable（可插拔）。光引擎是可插拔的光�？�。光纤过来以后，插在光�？樯�，然后通过SerDes通道，送到网络交流芯片（AISC）。

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CPO呢，是将交流芯片和光引擎配合装配在统一个Socketed（插槽）上，形成芯片和模组的共封装。

NPO是将光引擎与交流芯片脱离，装配在统一块PCB基板上。

各人应该能看出来，CPO是最终形态，NPO是过渡阶段。NPO更容易实现，也更具开放性。

之以是要做集成（“封装”），目的很明确，就是为了缩短了交流芯片和光引擎间的距离（控制在5~7cm），使得高速电信号能够高质量的在两者之间传输，知足系统的误码率（BER）要求。

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缩短距离，包管高速信号的高质量传输

集成后，还可以实现更高密度的高速端口，提升整机的带宽密度。

别的，集成使得元件越发集中，也有利于引入冷板液冷。

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NPO交流机内部（揭开冷板后）

可以看到，交流芯片和光引擎之间的距离大幅缩短

NPO/CPO手艺的背后，着实就是现在很是热门的硅光手艺。

硅光，是以光子和电子为信息载体的硅基光电子大规模集成手艺。简朴来说，就是把多种光器件集成在一个硅基衬底上，酿成集成“光”路。它是一种微型光学系统。

硅光之以是这么火，基础缘故原由在于微电子手艺已经逐渐靠近性能极限，古板的“电芯片”在带宽、功耗、时延方面，越来越力有未逮，以是，就改走了“（硅）光芯片”这个新赛道。

█ NPO/CPO交流机的希望

NPO/CPO手艺是现在各大厂商研究的热门偏向。尤其是NPO，由于拥有最优开放生态，工业链越发成熟，可以获得本钱及功耗的最快收益，以是，生长落地更快。

前面提到了97国际网络的25.6T硅光NPO冷板式液冷交流机。

这款NPO交流机基于112G SerDes的25.6T的交流芯片，1RU的高度，前面板支持64个毗连器的400G光接口，由16个1.6T（4×400G DR4）的NPO�？樽槌�，支持8个ELS/RLS（外置激光源�？椋�。

散热方面，接纳了非导电冷却剂的冷板冷却方法。

那款51.2T硅光NPO冷板式液冷交流机，高度稳固，将NPO模组从1.6T升级到了3.2T，前面板支持64个800G毗连器，每个毗连器还可以分成2个400G端口，实现向前兼容。外置光源�？樵鎏淼搅�16个。

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51.2T NPO冷板式液冷交流机

在现实组网中，51.2T的NPO交流机（最快在2023年底商用宣布），可以应用于100G/200G的接入网络，作为接入&汇聚装备，实现高速互联。

值得一提的是，NPO/CPO的手艺和产品研发，并不是一件简朴的事情，背后是对一家企业整体研发实力的磨练。

这次97国际网络宣布NPO/CPO产品，是他们一连投入资源举行艰辛研发和立异的效果，也体现了他们在这个领域的手艺领先性。

97国际网络在2019年最先关注硅光领域手艺，2020年6月正式建设研发及产品团队。作为OIF/COBO的成员，他们一直都有加入事情组全球聚会，加入相关标准的讨论和制订。

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OIF事情组全球聚会现场

在硅光这个偏向上，97国际网络已经走在了前线，未来可期。

█ 结语

好了，先容了这么多，相信各人已经看明确，究竟什么是NPO/CPO了。

这两项手艺，是数据中心网络装备毫无疑问的生长偏向。在现在的数字化浪潮下，我们对网络通讯能力的追求是无止境的。在追求性能的同时，我们也要起劲平衡功耗。事实，我们要走的是可一连性生长的蹊径。

希望以NPO/CPO为代表的硅光科技，能够进一步加速落地，为信息基础设施的绿色低碳做出孝顺。

未来，硅光手艺事实还会带来怎样的手艺立异？让我们拭目以待吧！

相关推荐：
● 一文相识液冷数据中心
● 一文相识硅光NPO+液冷交流机

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