KI-Training, Inferenz und High-Performance-Computing treiben die Switch-Kapazität in Richtung der 51,2-Tbit/s- und 102,4-Tbit/s-Klasse. Gleichzeitig erhöhen 800G- und 1.6T-Schnittstellen die Anzahl der in Rechenzentren eingesetzten Hochgeschwindigkeits-Optikverbindungen. Die Herausforderung besteht nicht mehr nur in der Bandbreite. Elektrische Signalverluste, Modulleistung, Kühlung, Frontplatten-Dichte und Wartung werden zu systemweiten Entwurfsbeschränkungen.

Herkömmliche steckbare Optiken basieren auf relativ langen PCB-elektrischen Pfaden zwischen Switching-Silizium und Frontplatten-Modulen. Digitale Signalprozessoren kompensieren die daraus resultierende Signalverschlechterung, aber diese Kompensation erhöht den Stromverbrauch und die Wärmeentwicklung. Linear-getriebene steckbare Optiken (LPO), nahe der Verpackung angeordnete Optiken (NPO) und gemeinsam verpackte Optiken (CPO) lösen das Problem, indem sie den Ort der optischen Wandlung verändern und den Hochgeschwindigkeits-Elektrikpfad schrittweise verkürzen.

Diese Architekturen sollten nicht als einfache Abfolge betrachtet werden, bei der eine Technologie sofort eine andere ersetzt. LPO betont Kompatibilität und geringeren Stromverbrauch, NPO verlagert optische Engine nahe an das Switching-Silizium, behält jedoch eine gewisse Austauschbarkeit bei, und CPO zielt auf höchste Integration und Bandbreitendichte ab. Ihr Wert hängt vom zu errichtenden Netzwerk ab.

Warum herkömmliche steckbare Optiken an ihre Grenzen stoßen

In einer herkömmlichen Architektur ist das Switching-Silizium auf der System-PCB montiert, während die optischen Module an der Frontplatte installiert sind. Hochgeschwindigkeits-Elektriksignale können daher Dutzende von Zentimetern über die Platine zurücklegen, bevor sie das optische Modul erreichen.

Bei elektrischen Übertragungsraten von 112G und 224G werden diese Leiterbahnen zunehmend schwieriger zu beherrschen. Längere Pfade führen zu Einfügedämpfung, Übersprechen und Wellenformverzerrung. Ein modulseitiger DSP wird typischerweise verwendet, um das Signal vor der optischen Übertragung zu entzerren und zu korrigieren, um eine zuverlässige Kommunikation über den elektrischen Kanal zu gewährleisten.

Der DSP löst ein wichtiges Signalintegritätsproblem, trägt aber auch zu drei übergeordneten Systembeschränkungen bei.

Optische Leistung wird zu einem systemweiten Problem

Bei hochdichten 800G- und 1.6T-Einsätzen ist die Leistung der optischen Schnittstelle kein kleiner Bruchteil des Switch-Verbrauchs mehr. Ein herkömmliches 800G-DR8-steckbares Modul kann etwa 18–25 W pro Port verbrauchen, während optische Module in einer dichten Konfiguration nahezu 50 % der gesamten Geräteleistung ausmachen können.

Bei einem 64-Port-800G-Switch ergibt die Bestückung jedes Ports mit Modulen in diesem Bereich allein etwa 1.152–1.600 W an optischer Modulleistung. Diese Last hat direkte Auswirkungen auf Netzteile, Lüfterdrehzahl, Luftstromplanung und Kühlkapazität auf Rack-Ebene.

Lange elektrische Kanäle werden schwieriger zu kompensieren

Die DSP-basierte Entzerrung kann viele Beeinträchtigungen korrigieren, aber sie verkürzt nicht physisch die PCB-Verbindung. Mit steigenden Schnittstellengeschwindigkeiten werden elektrische Verluste und Übersprechen schwerer kontrollierbar, und eine zusätzliche Signalverarbeitung kann Leistung und Latenz erhöhen, während der zugrunde liegende Kanal lang bleibt.

Die Dichte der Frontplatte erreicht physikalische Grenzen

Herkömmliche steckbare Module belegen Käfige auf der Gerätefrontplatte. Mit zunehmender Portzahl wird die Frontplattenfläche zu einer weiteren begrenzenden Ressource. Die Konzentration vieler leistungsstarker Module auf engem Raum schafft zudem eine anspruchsvolle thermische Umgebung.

Drei Wege zur Verkürzung des elektrischen Pfades

Der wesentliche Unterschied zwischen den drei Architekturen ist der Abstand zwischen Switching-Silizium und optischer Wandlung. Die schrittweise Annäherung der Optik an das Switching-Bauteil verkürzt den elektrischen Kanal, der extrem schnelle Signale übertragen muss.

Linear-getriebene steckbare Architektur

LPO bewahrt das vertraute steckbare Frontplatten-Format, entfernt jedoch den DSP aus dem optischen Modul. Lineare Signalverarbeitungsfunktionen werden auf die Switching-Seite verlagert, während sich das Modul hauptsächlich auf die optische Wandlung und lineare Verstärkung konzentriert.

Ein vereinfachter Signalpfad ist:

Switching-Silizium → Linearer Antrieb → Steckbare optische Wandlung → Glasfaser

Der Hauptvorteil ist die Betriebskontinuität. Die optische Schnittstelle bleibt steckbar und kann weiterhin etablierte hochdichte Formfaktoren nutzen. Rechenzentrumsbetreiber können daher die optische Leistung reduzieren, ohne sofort das gesamte Gerätewartungsmodell zu ändern.

Nahe der Verpackung angeordnete optische Engine

NPO verfolgt einen stärker integrierten Ansatz. Anstatt die optische Wandlungsfunktion an der Frontplatte zu belassen, wird die optische Engine auf der Systemplatine in der Nähe des Switching-Siliziums montiert.

Der elektrische Signalpfad kann auf etwa 2–5 cm verkürzt werden:

Switching-Silizium → 2–5 cm PCB-Verbindung → Platinenmontierte optische Engine → Glasfaser

Die in der technischen Dokumentation beschriebene Architektur zielt auf elektrische Signalverluste unter 13 dB ab und vermeidet weiterhin die modulseitige DSP-Verarbeitung. Eine externe Laserquelle liefert die optische Leistung, während die nahe gelegene optische Engine die Sende- und Empfangswandlung durchführt.

Da die optische Engine eine separate Komponente bleibt, bietet NPO eine höhere Wartbarkeit als ein vollständig co-verpacktes Design, bei gleichzeitig höherer Integration als LPO.

Optische Integration auf Chip-Ebene

CPO verlagert die optische Engine auf dasselbe Paket-Substrat wie das Switching-Silizium. Anstelle von Zentimetern an PCB-Leitungen wird die Hochgeschwindigkeits-Elektrikverbindung auf den Millimeterbereich reduziert.

Der Pfad wird zu:

Switching-Silizium → Co-verpackte optische Engine → Glasfaser

Dieser Ansatz beseitigt den Großteil der langen elektrischen Verbindungen zwischen Switching-Bauteil und optischer Wandlungsstufe. Daher bietet er das größte Potenzial für hohe Bandbreitendichte, geringe Leistung und niedrige elektrische Pfadverluste.

Der Preis ist eine engere Kopplung zwischen Optik und Switching-Plattform. Serviceverfahren, thermische Auslegung und Zuverlässigkeitsplanung müssen auf System- und Paketebene betrachtet werden, anstatt jede optische Schnittstelle als unabhängiges Frontplatten-Modul zu behandeln.

Vergleich von Leistung, Dichte und Wartbarkeit

Es gibt keine einzelne optische Architektur, die für jedes Rechenzentrum optimal ist. Geringere Leistung und kürzere elektrische Pfade müssen gegen Wartung, Plattformkomplexität, Bereitstellungsflexibilität und Technologiereife abgewogen werden.

LPO verändert die Modul-Elektronik, bewahrt jedoch das physikalische Betriebsmodell einer herkömmlichen steckbaren Schnittstelle. Dies macht die Einführung in Umgebungen, in denen der Feldaustausch weiterhin wichtig ist, vergleichsweise einfach.

NPO akzeptiert mehr Systemintegration im Austausch für einen deutlich kürzeren elektrischen Pfad. Da die optische Engine vom Switching-Paket getrennt bleibt, bietet sie einen Kompromiss zwischen elektrischer Effizienz und Wartbarkeit.

CPO legt größten Wert auf Integration. Sein Wert steigt mit zunehmender Bandbreitendichte und wenn die elektrische Verbindung selbst zur dominierenden Einschränkung wird. Dieselbe Integration bedeutet jedoch, dass die Wartung nicht genau so geplant werden kann wie bei Frontplatten-Optiken.

Wo jede Architektur am besten passt

Die effektivste Bereitstellungsstrategie beginnt mit dem Rechenzentrums-Szenario, anstatt standardmäßig die am stärksten integrierte Technologie auszuwählen.

Bestehende Einrichtungen und KI-Inferenz-Cluster

LPO eignet sich gut für Brownfield-Rechenzentrums-Upgrades, bei denen eine Leistungsreduzierung erforderlich ist, die Betreiber jedoch weiterhin eine vertraute steckbare Schnittstelle wünschen. Die technische Roadmap positioniert es für die Kurz- und Mittelstreckenübertragung mit 800G und 1.6T, einschließlich KI-Inferenz-Clustern und bestehenden Einrichtungen mit begrenzter Kühlungsreserve.

Diese Art der Bereitstellung kann die mit der modulseitigen DSP-Verarbeitung verbundene Leistungsbelastung reduzieren, ohne dass sofort ein Umstieg auf platinenmontierte oder paketintegrierte Optiken erforderlich ist.

Neue mittelgroße Computing-Standorte

NPO ist besser auf neue Gerätedesigns abgestimmt, bei denen das PCB-Layout um kurze elektrische Kanäle optimiert werden kann. Es ist für die 800G- und 1.6T-Verbindung auf Rack-Ebene oder für Kurzstreckenverbindungen vorgesehen und balanciert höhere Integration mit praktischen Wartungsanforderungen aus.

Für ein Greenfield-KI-Rechenzentrum ermöglicht diese Architektur den Systemdesignern, den elektrischen Pfad bereits in der Hardware-Entwurfsphase zu verkürzen, anstatt kontinuierlich eine lange Frontplatten-Verbindung zu kompensieren.

Sehr große Trainingsnetze

CPO ist für sehr große KI- und Hochleistungsrechencluster positioniert, bei denen Bandbreitendichte und Energieeffizienz wichtiger werden als herkömmliche Verfahren zum Austausch optischer Module.

Bei 1.6T und darüber hinaus wird die Verkürzung des elektrischen Pfades auf Paketebene zunehmend attraktiver. Die Architektur ist besonders relevant für ultra-kurzstreckige, hochgradig verzweigte Switching-Systeme in großen Trainingsnetzen, in denen Tausende von Beschleunigern einen enormen Ost-West-Verkehr erzeugen.

Planung einer gestaffelten Migration

Ein Upgrade des optischen Netzwerks sollte auf der Grundlage von Leistungsbudgets, Switch-Lebenszyklus, Serviceverfahren und erwarteter Schnittstellengeschwindigkeit ausgelegt werden. Die Bereitstellung der am stärksten integrierten Architektur überall kann unnötige Kosten und Wartungskomplexität verursachen.

Für ein laufendes Rechenzentrum kann ein gestaffelter Pfad mit der Identifizierung von Switches beginnen, bei denen optische Module einen großen Anteil der Geräteleistung verbrauchen. Wenn die Plattform weiterhin eine Frontplatten-Wartbarkeit erfordert, könnte ein steckbarer Ansatz mit geringerem Stromverbrauch den praktikabelsten ersten Schritt darstellen.

Neue Switch-Designs bieten mehr Freiheit. Die Verlagerung der optischen Engine auf die PCB und ihre Positionierung innerhalb weniger Zentimeter vom Switching-Silizium kann die Verluste des elektrischen Kanals reduzieren, bevor sie so schwerwiegend werden, dass eine umfangreiche Kompensation erforderlich ist.

Vollständig co-verpackte Optiken werden überzeugender, wenn Schnittstellengeschwindigkeiten, Switch-Verzweigungsgrad und thermische Dichte die herkömmlichen elektrischen Frontplatten-Pfade zunehmend schwierig aufrechterhalten lassen.

Ein praktischer Entscheidungsrahmen lässt sich daher wie folgt zusammenfassen:

• Verwenden Sie einen steckbaren Linearantriebsansatz, wenn sowohl geringere Leistung als auch Feldersatz wichtig sind.

• Verlagern Sie die Optik in die Nähe des Pakets, wenn eine neue Plattform platinenmontierte optische Engine und kürzere PCB-Pfade unterstützen kann.

• Ziehen Sie eine co-verpackte Integration in Betracht, wenn maximale Bandbreitendichte und minimale elektrische Pfadlänge zu den primären Entwurfsbeschränkungen werden.

Auch eine hybride Bereitstellung ist sinnvoll. Verschiedene Switch-Ebenen, Gerätegenerationen und Clustergrößen können innerhalb derselben Rechenzentrumsumgebung unterschiedliche optische Architekturen nutzen.

Marktentwicklung bis 2028

Die Technologie-Roadmap deutet auf einen allmählichen Übergang und nicht auf ein einzelnes Austauschereignis hin.

LPO begann ab 2025 mit der Umstellung auf größere Stückzahlen. Im Laufe des Jahres 2026 sind 800G- und 1.6T-Implementierungen für die Stapelbereitstellung in KI-Inferenz- und bestehenden Rechenzentrums-Upgrade-Szenarien positioniert. Die in der technischen Dokumentation zitierte Marktprognose schätzt die gesamten LPO-Lieferungen für 2026 auf etwa 3–4 Millionen Einheiten.

NPO folgt einer späteren Einführungskurve. Die Quelle ordnet 1.6T NPO im Jahr 2026 einer Phase technischer Reife zu, mit erwarteten Kleinserienlieferungen in der zweiten Hälfte von 2026 und größeren Bereitstellungen ab 2027.

CPO hat den längsten Integrationszyklus. Die Roadmap erwartet erste 1.6T-Pilotlieferungen etwa Ende 2026, gefolgt von einer breiteren kommerziellen Bereitstellung im Zeitraum 2027–2028. Für die nächste Generation 3.2T CPO wird eine breitere Implementierung nach 2028 erwartet.

Das resultierende Bereitstellungsmuster ist komplementär. In den Jahren 2026–2027 werden LPO und NPO voraussichtlich einen großen Teil des 800G- und 1.6T-Kurz- und Mittelstreckenmarktes abdecken, insbesondere bestehende Rechenzentrums-Upgrades und neue mittelgroße KI-Cluster. Ab 2028 wird CPO für 3.2T- und höhergeschwindige, ultra-großflächige Trainingsnetze relevanter.

Dies bedeutet nicht, dass eine Architektur verschwindet, wenn eine andere skaliert. Unterschiedliche Integrationsstufen lösen unterschiedliche betriebliche Probleme, sodass mehrere Ansätze über Rechenzentrumsgenerationen hinweg aktiv bleiben können.

Abschließende Anmerkungen

Die Abkehr von herkömmlichen steckbaren Modulen hin zu LPO, NPO und CPO ist grundsätzlich eine Reaktion auf ein elektrisches Verbindungsproblem, das durch die schnell steigende optische Bandbreite verursacht wird.

Bei Switch-Kapazitäten von 51,2 Tbit/s und 102,4 Tbit/s erhöht ein Design, das auf langen PCB-Leiterbahnen, DSP-Kompensation und einer großen Anzahl leistungsstarker Frontplatten-Module basiert, den Druck auf Stromversorgung, Kühlung und physikalische Dichte. Die Verkürzung des elektrischen Pfades verändert dieses Gleichgewicht.

LPO bietet den am wenigsten disruptiven Weg, indem es eine steckbare Schnittstelle beibehält und gleichzeitig die modulseitige Signalverarbeitung vereinfacht. NPO bringt die optische Engine auf wenige Zentimeter an das Switching-Silizium heran, verbessert die elektrische Effizienz und behält eine gewisse Austauschbarkeit bei. CPO bringt die Optik auf dasselbe Paket-Substrat und zielt auf höchste Bandbreitendichte und geringste elektrische Pfadverluste.

Die geeignete Lösung hängt daher davon ab, wo sich das Netzwerk in seinem Lebenszyklus befindet. Bestehende Rechenzentren priorisieren möglicherweise Kompatibilität und Wartbarkeit, neue KI-Standorte können die Integration auf Platinenebene optimieren, und zukünftige ultra-dichte Trainingssysteme erfordern möglicherweise eine optische Integration auf Paketebene. Die Behandlung dieser Architekturen als komplementäre Optionen und nicht als universelle Ersatzlösungen bietet einen praktikableren Weg zu 800G-, 1.6T- und zukünftigen 3.2T-Netzwerken.

FAQ

Kann LPO weiterhin standardmäßige steckbare optische Formfaktoren verwenden?

Ja. Die in der technischen Dokumentation beschriebene Architektur behält standardmäßige steckbare Formate wie QSFP-DD und OSFP bei. Die wesentliche Änderung ist die Entfernung der modulseitigen DSP-Verarbeitung und nicht die Beseitigung der steckbaren physikalischen Schnittstelle.

Erfordert NPO, dass die optische Engine dauerhaft am Switch-Paket befestigt wird?

Nein. In der beschriebenen NPO-Architektur ist die optische Engine in der Nähe des Switching-Siliziums auf der Systemplatine montiert und kann unabhängig ausgetauscht werden. Dies ist einer der Hauptunterschiede zwischen der nahe der Verpackung angeordneten und der vollständig co-verpackten Integration.

Welche Rolle spielt eine externe Laserquelle bei den nahe der Verpackung angeordneten Optiken?

Die hier beschriebene NPO-Implementierung verwendet eine unabhängige externe Laserquelle (ELS), um die optische Leistung bereitzustellen, während die platinenmontierte optische Engine die optische Sende- und Empfangswandlung übernimmt.

Warum erfordert die Entfernung des modulseitigen DSP mehr Aufmerksamkeit für das Host-Design?

Wenn die modulseitige Signalverarbeitung reduziert oder entfernt wird, wird die Qualität des elektrischen Kanals stärker von den Fähigkeiten des Switching-Siliziums, dem PCB-Layout und der gesamten Host-Implementierung abhängig. Eine geringere Modulkomplexität macht daher die systemweite Signalintegritätstechnik wichtiger.