数据中心的黑科技——到底什么是NPO/CPO？

kousinnryou

大家好，我是小枣君。
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。


故事还是要从头开始讲起。
去年，国家发布了“东数西算”战略，吸引了全社会的关注。
所谓“东数西算”，其实就是数据中心的任务分工调整。我们将东部沿海地区的部分算力需求，转移到西部地区的数据中心完成。
之所以这么做，就是因为西部地区能源资源比较充沛，而且自然温度较低，可以大幅减少电费以及碳排放。
我们都知道，数据中心是算力的载体，现阶段我们大搞数字化转型和数字经济，离不开算力，也离不开数据中心。但是，数据中心的耗电问题，无法忽视。
根据数据显示，2021年全国数据中心总用电量为2166亿千瓦时，占全国总用电量的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。
如此恐怖的耗电量，对我们实现“双碳”目标造成了很大压力。
于是乎，行业开始加紧研究，究竟如何才能将数据中心的能耗降下来。



数据中心（IDC）

大家应该都知道，数据中心有一个重要的参数指标，那就是PUE（Power Usage Effectiveness，电能使用效率）。
PUE=数据中心总能耗/IT设备能耗。其中数据中心总能耗，包括IT设备能耗，以及制冷、配电等其它系统的能耗。
我们可以看出，除了用在主设备上的电量之外，还有很大一部分能耗，用在散热和照明上。
所以，捣鼓数据中心的节能减排，思路就在两点：
1、减少主设备的功耗
2、减少散热和照明方面的功耗（主要是散热）
█ 主设备的功耗挑战

说起主设备，大家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设备，它上面承载了各种业务服务，有CPU、内存等硬件，可以输出算力。
但实际上，主设备还包括一类重要的设备，那就是网络设备，也就是交换机、路由器、防火墙等。
目前，AI/ML（人工智能/机器学习）的加速落地，再加上物联网的高速发展，使得数据中心的业务压力越来越大。
这个压力不仅体现在算力需求上，也体现在网络流量上。数据中心的网络接入带宽标准，从过去的10G、40G，一路提升到现在100G、200G甚至400G。
网络设备为了满足流量增长的需求，自身也就需要不断迭代升级。于是乎，更强劲的交换芯片，还有更高速率的光模块，统统开始用上。
我们先看看交换芯片。
交换芯片是网络设备的心脏，它的处理能力直接决定了设备的能力。这些年，交换芯片的功耗水涨船高，如下图所示：



交换机芯片功耗变化趋势

值得一提的是，虽然网络设备的总体功耗在持续提升，但是，单Bit（比特）的功耗是持续降低的。也就是说，能效越来越高。
再看光模块。
光模块在光通信领域，拥有重要的地位，直接决定了网络通信的带宽。
早在2007年的时候，一个万兆（10Gbps）的光模块，功率才1W左右。
随着40G、100G到现在的400G，800G甚至以后的1.6T光模块，功耗提升速度就像坐上了火箭，一路飙升，直逼30W。大家可要知道，一个交换机可不止一个光模块，满载的话，往往就有几十个光模块（假如48个，就是48×30=1440 W）。
一般来说，光模块的功耗大约占整机功耗的40%以上。这就意味着，整机的功耗极大可能会超过3000 W。
一个数据中心，又不止一交换机。这背后的功耗，想想都很可怕。
除了交换芯片和光模块之外，网络设备还有一个大家可能不太熟悉的“耗电大户”，那就是——SerDes。
SerDes是英文SERializer（串行器）/DESerializer（解串器）的简称。在网络设备中，它是一个重要器件，主要负责连接光模块和网络交换芯片。


简单来说，就是将交换芯片出来的并行数据，转换成串行数据进行传输。然后，在接收端，又将串行数据转换成并行数据。
前面提到，网络交换芯片的能力在不断提升。因此，SerDes的速率也必须随之提升，以便满足数据传输的要求。
SerDes的速率提升，自然就带动了功耗的增加。
在102.4Tbps时代，SerDes速率需要达到224G，芯片SerDes（ASIC SerDes）功耗预计会达到300W。
需要注意的是，SerDes的速率和传输距离，会受到PCB材料工艺的影响，并不能无限增加。换句话说，当SerDes速率增加、功耗增加时，PCB铜箔能力不足，不能让信号传播得更远。只有缩短传输距离，才能保证传输效果。
这有点像扔铅球比赛，当铅球越重（SerDes速率越高），你能扔的距离就越短。


具体来说，SerDes速率达到224G时，最多只能支持5~6英寸的传输距离。
这意味着，在SerDes没有技术突破的前提下，网络交换芯片和光模块之间的距离，必须缩短。
综上所述，交换芯片、光模块、SerDes，是网络设备的三座“功耗”大山。
根据设备厂商的数据显示，过去的12年时间，数据中心的网络交换带宽提升了80倍，背后的代价就是：交换芯片功耗提升约8倍，光模块功耗提升26倍，交换芯片SerDes功耗提升25倍。



信息来源：2020 Cisco and/or its affiliates.All rights reserved.Cisco Public

在此情况下，网络设备在数据中心内的功耗占比，随之不断攀升。



网络设备（红色）的能耗占比数据来源：Facebook-OIF CPO Webinar 2020

█ 散热的功耗挑战

前面小枣君仔细介绍了网络设备的功耗挑战。接下来，我们再看看散热。
事实上，相比对网络设备的功耗提升，散热的功耗才是真正的大头。
根据数据统计，交换设备在典型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。
但是散热呢？根据CCID数据统计，2019年中国数据中心能耗中，约有43%是用于IT设备的散热，基本与45%的IT设备自身的能耗持平。
即便是现在国家对PUE提出了严格要求，按照三级能效（PUE=1.5，数据中心的限定值）来算，散热也占了将近40%。


传统的散热方式（风冷/空调制冷），已经不能满足当前高密数据中心的业务发展需求。于是，我们引入了液冷技术。
液冷，是使用液体作为冷媒，为发热部件散热的一种新技术。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%。


这个节能效果，可以说是非常给力了，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（不受环境气候影响）、建设成本（可以让机柜采用高密度布局，减少机房占地面积）等方面也有显著优势。
所以，现在几乎所有的数据中心，都在采用液冷。有的液冷数据中心，甚至可以将PUE干到1.1左右，接近1的极限值。
液冷，是不是把整个设备全部浸没在液体里呢？
不一定。
液冷的方案，一般包括两种，分别是浸没式和冷板式。
浸没式，也叫直接式，是将主设备里发热量大的元器件，全部浸入冷却液中，进行散热。
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。现在很多DIY组装电脑，就是冷板式。
服务器采用液冷，已经是非常成熟的技术。那么，既然要上液冷，当然是服务器和网络设备一起上，会更好啊，不然还要搞两套体系。
问题来了，咱们的网络设备，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设备的自身工作功耗以及散热功耗，在OIF（光互联网络论坛）的主导下，业界多家厂商，共同推出了——NPO/CPO技术。
2021年11月，国内设备厂商锐捷网络发布了全球第一款25.6T的NPO冷板式液冷交换机。2022年3月，他们又发布了51.2T的 NPO冷板式液冷交换机（概念机）。



NPO冷板式液冷交换机

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。
简单来说，NPO/CPO是将网络交换芯片和光引擎（光模块）进行“封装”的技术。
我们传统的连接方式，叫做Pluggable（可插拔）。光引擎是可插拔的光模块。光纤过来以后，插在光模块上，然后通过SerDes通道，送到网络交换芯片（AISC）。


CPO呢，是将交换芯片和光引擎共同装配在同一个Socketed（插槽）上，形成芯片和模组的共封装。
NPO是将光引擎与交换芯片分开，装配在同一块PCB基板上。
大家应该能看出来，CPO是终极形态，NPO是过渡阶段。NPO更容易实现，也更具开放性。
之所以要做集成（“封装”），目的很明确，就是为了缩短了交换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，满足系统的误码率（BER）要求。



缩短距离，保证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。
此外，集成使得元件更加集中，也有利于引入冷板液冷。



NPO交换机内部（揭开冷板后）可以看到，交换芯片和光引擎之间的距离大幅缩短

NPO/CPO技术的背后，其实就是现在非常热门的硅光技术。
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技术。简单来说，就是把多种光器件集成在一个硅基衬底上，变成集成“光”路。它是一种微型光学系统。
硅光之所以这么火，根本原因在于微电子技术已经逐渐接近性能极限，传统的“电芯片”在带宽、功耗、时延方面，越来越力不从心，所以，就改走了“（硅）光芯片”这个新赛道。
█ 结语

好了，介绍了这么多，相信大家已经看明白，到底什么是NPO/CPO了。
NPO/CPO技术是目前各大厂商研究的热门方向。尤其是NPO，因为拥有最优开放生态，产业链更加成熟，可以获得成本及功耗的最快收益，所以，发展落地更快。
这两项技术，是数据中心网络设备毫无疑问的发展方向。在目前的数字化浪潮下，我们对算力和网络通信能力的追求是无止境的。在追求性能的同时，我们也要努力平衡功耗。毕竟，我们要走的是可持续性发展的道路。
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贡献。
未来，硅光技术究竟还会带来怎样的技术创新？让我们拭目以待吧！