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数据中心的黑科技——到底什么是NPO/CPO？

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数据中心的黑科技——到底什么是NPO/CPO？

这两项技术，是数据中心网络设备毫无疑难的发展方向。在目前的数字化海潮下，我们对网络通讯能力的钻营是无终点的。在钻营机能的同时，我们也要致力平衡功耗。

颁布功夫：2022-10-25
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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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故事还是要重新起头讲起。

去年，国度颁布了“东数西算”战术，吸引了全社会的关注。

所谓“东数西算”，其实就是数据中心的工作分工调整。我们将东部沿海地域的部门需要，转移到西部地域的数据中心实现。

之所以这么做，就是由于西部地域能源资源比力充分，并且天然温度较低，能够大幅削减电费以及碳排放。

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

凭据数据显示，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个北京地域的总用电量。

如此恐怖的耗电量，对我们实现“双碳”指标造成了很大压力。

因而乎，行业起头加紧钻研，到底若何能力将数据中心的能耗降下来。

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数据中心（IDC）

各人应该都知路，数据中心有一个沉要的参数指标，那就是PUE（Power Usage Effectiveness，电能使用效能）。

PUE=数据中心总能耗/IT设备能耗。其中数据中心总能耗，蕴含IT设备能耗，以及造冷、配电等其它系统的能耗。

我们能够看出，除了用在主设备上的电量之表，还有很大一部门能耗，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、削减主设备的功耗

2、削减散热和照明方面的功耗（重要是散热）

█ 主设备的功耗挑战

说起主设备，各人顿时就想到了服务器。是的没错，服务器是数据中心最重要的设备，它上面承载了各类业务服务，有CPU、内存蹬撞件。

但现实上，主设备还蕴含一类沉要的设备，那就是网络设备，也就是互换机、路由器、防火墙等。

目前，AI/ML（人为智能/机械进建）的加快落地，再加上物联网的高快发展，使得数据中心的业务压力越来越大。

这个压力不仅体此刻需要上，也体此刻网络流量上。数据中心的网络接入带宽尺度，从从前的10G、40G，一路提升到此刻100G、200G甚至400G。

网络设备为了满足流量增长的需要，自身也就必要不休迭代升级。因而乎，更强劲的互换芯片，还有更高快率的光�？�，十足起头用上。

我们先看看互换芯片。

互换芯片是网络设备的心脏，它的处置能力直接决定了设备的能力。这些年，互换芯片的功耗水涨船高，如下图所示：

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互换机芯片功耗变动趋向

值得一提的是，固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�？�。

光�？樵诠馔ㄑ读煊�，占有沉要的职位，直接决定了网络通讯的带宽。

早在2007年的时辰，一个万兆（10Gbps）的光�？�，功率才1W左右。

随着40G、100G到此刻的400G，800G甚至以来的1.6T光�？�，功耗提升快率就像坐上了火箭，一路飙升，直逼30W。各人可要知路，一个互换机可不止一个光�？�，满载的话，往往就有几十个光�？椋ㄈ绻�48个，就是48×30=1440 W）。

通常来说，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超过3000 W。

一个数据中心，又不止一互换机。这背后的功耗，想想都很可怕。

除了互换芯片和光�？橹�，网络设备还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。在网络设备中，它是一个沉要器件，重要掌管衔接光�？楹屯缁セ恍酒�。

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单一来说，就是将互换芯片出来的并行数据，转换成串行数据进行传输。而后，在接管端，又将串行数据转换成并行数据。

前面提到，网络互换芯片的能力在不休提升。因而，SerDes的快率也必须随之提升，以便满够数据传输的要求。

SerDes的快率提升，天然就带头了功耗的增长。

在102.4Tbps时期，SerDes快率必要达到224G，芯片SerDes（ASIC SerDes）功耗预计会达到300W。

必要把稳的是，SerDes的快率和传输距离，会受到PCB资料工艺的影响，并不能无限增长�；痪浠八�，当SerDes快率增长、功耗增长时，PCB铜箔能力不及，不能让信号传布得更远。只有缩短传输距离，能力保障传输成效。

这有点像抛铅球角逐，当铅球越沉（SerDes快率越高），你能抛的距离就越短。

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具体来说，SerDes快率达到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，网络互换芯片和光�？橹涞木嗬�，必须缩短。

综上所述，互换芯片、光�？椤erDes，是网络设备的三座“功耗”大山。

凭据设备厂商的数据显示，从前的12年功夫，数据中心的网络互换带宽提升了80倍，背后的价值就是：互换芯片功耗提升约8倍，光�？楣奶嵘�26倍，互换芯片SerDes功耗提升25倍。

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信息起源：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，随之不休攀升。

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网络设备（红色）的能耗占比

数据起源：Facebook-OIF CPO Webinar 2020

█ 散热的功耗挑战

前面幼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。

凭据数据统计，互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？凭据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，根基与45%的IT设备自身的能耗吃旖。

即就是此刻国度对PUE提出了严格要求，依照三级能效（PUE=1.5，数据中心的限造值）来算，散热也占了将近40%。

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传统的散热方式（风冷/空调造冷），已经不能满足当前高密数据中心的业务发展需要。因而，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，能够降低数据中心能近90%的散热能耗。数据中心整体能耗，则可降落近36%。

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这个节能成效，能够说是很给力了，直接省电三分之一。

除了散热更强更省电之表，液冷在噪音、选址（不受环境气象影响）、建设成本（能够让机柜选取高密度布局，削减机房占地面积）等方面也有显著优势。

所以，此刻险些所有的数据中心，都在选取液冷。有的液冷数据中心，甚至能够将PUE干到1.1左右，靠近1的极限值。

液冷，是不是把整个设备全数浸没在液体里呢？

不愿定。

液冷的规划，通常蕴含两种，别离是浸没式和冷板式。

浸没式，也叫直接式，是将主设备里发热量大的元器件，全数浸入冷却液中，进行散热。

冷板式，也称间接式，是将重要散热部件与一块金属板贴合，而后金属板里有冷媒液体流动，把热量带走。此刻好多DIY组装电脑，就是冷板式。

服务器选取液冷，已经是极度成熟的技术。那么，既然要上液冷，当然是服务器和网络设备一路上，会更好啊，不然还要搞两套系统。

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，GA黄金甲主角，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GA黄金甲网络（Ruijie Networks），颁布了25.6T的NPO冷板式液冷互换机。2022年3月，他们又颁布了51.2T的 NPO冷板式液冷互换机（概想机）。

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NPO冷板式液冷互换机

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。

单一来说，NPO/CPO是将网络互换芯片和光引擎（光�？椋┙�“封装”的技术。

我们传统的衔接方式，叫做Pluggable（可插拔）。光引擎是可插拔的光�？�。光纤过来以来，插在光�？樯�，而后通过SerDes通路，送到网络互换芯片（AISC）。

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CPO呢，是将互换芯片和光引擎共同装配在统一个Socketed（插槽）上，形成芯片和模组的共封装。

NPO是将光引擎与互换芯片分隔，装配在统一块PCB基板上。

各人应该能看出来，CPO是最终状态，NPO是过渡阶段。NPO更容易实现，也更具盛开性。

之所以要做集成（“封装”），主张很明确，就是为了缩短了互换芯片和光引擎间的距离（节造在5~7cm），使得高快电信号可能高质量的在两者之间传输，满足系统的误码率（BER）要求。

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缩短距离，保障高快信号的高质量传输

集成后，还能够实现更高密度的高快端口，提升整机的带宽密度。

此表，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互换机内部（揭开冷板后）

能够看到，互换芯片和光引擎之间的距离大幅缩短

NPO/CPO技术的背后，其实就是此刻极度热点的硅光技术。

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。单一来说，就是把多种光器件集成在一个硅基衬底上，造成集成“光”路。它是一种微型光学系统。

硅光之所以这么火，底子原因在于微电子技术已经逐步靠近机能极限，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”这个新赛路。

█ NPO/CPO互换机的进展

NPO/CPO技术是目前各大厂商钻研的热点方向。尤其是NPO，由于占有最优盛开生态，产业链越发成熟，能够获得成本及功耗的最快收益，所以，发展落地更快。

前面提到了GA黄金甲网络的25.6T硅光NPO冷板式液冷互换机。

这款NPO互换机基于112G SerDes的25.6T的互换芯片，1RU的高度，前面板支持64个衔接器的400G光接口，由16个1.6T（4×400G DR4）的NPO�？樽槌�，支持8个ELS/RLS（表置激光源�？椋�。

散热方面，选取了非导电冷却剂的冷板冷却方式。

那款51.2T硅光NPO冷板式液冷互换机，高度不变，将NPO模组从1.6T升级到了3.2T，前面板支持64个800G衔接器，每个衔接器还能够分成2个400G端口，实现向前兼容。表置光源�？樵龀さ搅�16个。

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51.2T NPO冷板式液冷互换机

在现实组网中，51.2T的NPO互换机（最快在2023年底商用颁布），能够利用于100G/200G的接入网络，作为接入&汇聚设备，实现高快互联。

值得一提的是，NPO/CPO的技术和产品研发，并不是一件单一的事件，背后是对一家企业整体研发实力的考验。

这次GA黄金甲网络颁布NPO/CPO产品，是他们持续投入资源进行艰苦研发和创新的成就，也体现了他们在这个领域的技术当先性。

GA黄金甲网络在2019年起头关注硅光领域技术，2020年6月正式成立研发及产品团队。作为OIF/COBO的成员，他们一向都有参加工作组全球会议，参与有关尺度的会商和造订。

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OIF工作组全球会议现场

在硅光这个方向上，GA黄金甲网络已经走在了前列，将来可期。

█ 结语

好了，介绍了这么多，相信各人已经看领略，到底什么是NPO/CPO了。

这两项技术，是数据中心网络设备毫无疑难的发展方向。在目前的数字化海潮下，我们对网络通讯能力的钻营是无终点的。在钻营机能的同时，我们也要致力平衡功耗。终于，我们要走的是可持续性发展的路路。

但愿以NPO/CPO为代表的硅光科技，可能进一步加快落地，为信息基础设施的绿色低碳做出贡献。

将来，硅光技术到底还会带来怎么的技术创新？让我们拭目以待吧！

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