يعمل تدريب الذكاء الاصطناعي والاستدلال والحوسبة عالية الأداء على دفع سعة المحولات نحو فئتي 51.2 تيرابت في الثانية و102.4 تيرابت في الثانية. وفي الوقت نفسه، تعمل واجهات 800G و1.6T على زيادة عدد الوصلات الضوئية عالية السرعة المنشورة داخل مراكز البيانات. لم يعد التحدي مقتصراً على عرض النطاق الترددي فقط. بل أصبح فقدان الإشارة الكهربائية، واستهلاك الوحدات، والتبريد، وكثافة اللوحة الأمامية، والصيانة قيوداً على مستوى تصميم النظام.
تعتمد البصريات القابلة للتبديل التقليدية على مسارات كهربائية طويلة نسبياً على لوحة PCB بين سيليكون التبديل والوحدات الأمامية. تقوم معالجات الإشارات الرقمية (DSP) بتعويض تدهور الإشارة الناتج، لكن هذا التعويض يضيف استهلاكاً للطاقة وحرارة. تعالج بصريات التوصيل الخطي القابلة للتبديل (LPO) والبصريات القريبة من الرزمة (NPO) والبصريات المدمجة مع الرزمة (CPO) المشكلة عن طريق تغيير مكان التحويل الضوئي وتقصير المسار الكهربائي عالي السرعة تدريجياً.
لا ينبغي النظر إلى هذه البنى كتسلسل بسيط تحل فيه تقنية محل أخرى فوراً. تركز LPO على التوافق وانخفاض الطاقة، بينما تنقل NPO المحركات الضوئية بالقرب من سيليكون التبديل مع الاحتفاظ بدرجة من قابلية الاستبدال، وتستهدف CPO أعلى درجات التكامل وكثافة عرض النطاق الترددي. تعتمد قيمتها على الشبكة الجاري بناؤها.
لماذا تصل البصريات القابلة للتبديل التقليدية إلى حدودها
في البنية التقليدية، يتم تثبيت سيليكون التبديل على لوحة النظام بينما تُركب الوحدات الضوئية في اللوحة الأمامية. لذلك قد تنتقل الإشارات الكهربائية عالية السرعة لمسافة عشرات السنتيمترات عبر اللوحة قبل وصولها إلى الوحدة الضوئية.
عند معدلات إشارة كهربائية 112G و224G، يصبح التحكم في هذه المسارات أكثر صعوبة. تؤدي المسافات الأطول إلى فقدان الإدخال، والتداخل المتبادل، وتشويه الشكل الموجي. عادةً ما يُستخدم DSP على جانب الوحدة لمعادلة الإشارة وتصحيحها قبل الإرسال الضوئي، مما يساعد في الحفاظ على اتصال موثوق عبر القناة الكهربائية.
يحل DSP مشكلة مهمة تتعلق بسلامة الإشارة، لكنه يساهم أيضاً في ثلاثة قيود نظامية أوسع.
تصبح الطاقة الضوئية قضية على مستوى النظام
في عمليات النشر عالية الكثافة لـ 800G و1.6T، لم تعد طاقة الواجهة الضوئية جزءاً صغيراً من استهلاك المحول. يمكن لوحدة 800G DR8 القابلة للتبديل التقليدية أن تستهلك حوالي 18-25 واط لكل منفذ، بينما قد تمثل الوحدات الضوئية ما يقرب من 50% من إجمالي طاقة المعدات في التكوين الكثيف.
بالنسبة لمحول 800G ذي 64 منفذاً، فإن ملء كل منفذ بوحدات في هذا النطاق يؤدي إلى حوالي 1,152-1,600 واط من طاقة الوحدات الضوئية وحدها. لهذا الحمل عواقب مباشرة على مصادر الطاقة، وسرعة المراوح، وتخطيط تدفق الهواء، وسعة التبريد على مستوى الرف.
تصبح القنوات الكهربائية الطويلة أكثر صعوبة في التعويض
يمكن للمعادلة المعتمدة على DSP تصحيح العديد من العيوب، لكنها لا تقصر فعلياً مسار PCB. مع ارتفاع معدلات الواجهة، يصبح التحكم في الفقد الكهربائي والتداخل المتبادل أكثر صعوبة، وقد تضيف معالجة إشارة إضافية استهلاكاً وزمن وصول بينما تظل القناة الأساسية طويلة.
تصل كثافة اللوحة الأمامية إلى حدود فيزيائية
تشغل الوحدات القابلة للتبديل التقليدية حجرات في الواجهة الأمامية للمعدات. مع زيادة عدد المنافذ، تصبح مساحة اللوحة الأمامية مورداً محدوداً آخر. كما أن تركيز العديد من الوحدات عالية الطاقة في نفس المنطقة يخلق بيئة حرارية صعبة.
ثلاث طرق لتقصير المسار الكهربائي
الفرق الجوهري بين البنى الثلاث هو المسافة بين سيليكون التبديل والتحويل الضوئي. يؤدي تقريب البصريات تدريجياً من جهاز التبديل إلى تقليل القناة الكهربائية التي يجب أن تحمل إشارات عالية السرعة للغاية.
البنية الخطية القابلة للتبديل
تحافظ LPO على الشكل القابل للتبديل المألوف في اللوحة الأمامية ولكنها تزيل DSP من الوحدة الضوئية. تُنقل وظائف معالجة الإشارة الخطية نحو جانب التبديل، بينما تركز الوحدة بشكل أساسي على التحويل الضوئي والتضخيم الخطي.
مسار إشارة مبسط هو:
سيليكون التبديل ← تشغيل خطي ← تحويل ضوئي قابل للتبديل ← ليف بصري
الميزة الرئيسية هي الاستمرارية التشغيلية. تظل الواجهة الضوئية قابلة للتبديل ويمكنها الاستمرار في استخدام عوامل الشكل عالية الكثافة المعتمدة. وبالتالي يمكن لمشغلي مراكز البيانات تقليل الطاقة الضوئية دون تغيير نموذج صيانة المعدات بالكامل فوراً.
المحركات الضوئية القريبة من الرزمة
تتبع NPO نهجاً أكثر تكاملاً. بدلاً من الاحتفاظ بوظيفة التحويل الضوئي في اللوحة الأمامية، يتم تثبيت المحرك الضوئي على لوحة النظام بالقرب من سيليكون التبديل.
يمكن تقصير مسار الإشارة الكهربائية إلى حوالي 2-5 سم:
سيليكون التبديل ← وصلة PCB بطول 2-5 سم ← محرك ضوئي مثبت على اللوحة ← ليف بصري
تستهدف البنية الموصوفة في المواد التقنية فقدان الإشارة الكهربائية أقل من 13 ديسيبل وتستمر في تجنب معالجة DSP على جانب الوحدة. يوفر مصدر ليزر خارجي المصدر الضوئي، بينما يقوم المحرك الضوئي المجاور بتحويل الإرسال والاستقبال.
نظراً لأن المحرك الضوئي يظل مكوناً منفصلاً، تحافظ NPO على درجة أعلى من قابلية الخدمة مقارنة بالتصميم المدمج بالكامل، مع تحقيق تكامل أكبر من LPO.
التكامل الضوئي على مستوى الشريحة
تنقل CPO المحرك الضوئي إلى نفس ركيزة الرزمة مع سيليكون التبديل. بدلاً من سنتيمترات من توجيه PCB، يتم تقليل التوصيل الكهربائي عالي السرعة إلى مقياس المليمتر.
يصبح المسار:
سيليكون التبديل ← محرك ضوئي مدمج مع الرزمة ← ليف بصري
يزيل هذا النهج معظم الوصلات الكهربائية الطويلة بين جهاز التبديل ومرحلة التحويل الضوئي. وبالتالي فهو يوفر أقوى إمكانية لكثافة عرض نطاق ترددي عالية، واستهلاك منخفض للطاقة، وفقدان منخفض للمسار الكهربائي.
المقابل هو اقتران أكثر إحكاماً بين البصريات ومنصة التبديل. يجب النظر في إجراءات الخدمة، والتصميم الحراري، وتخطيط الموثوقية على مستوى النظام والرزمة بدلاً من التعامل مع كل واجهة ضوئية كوحدة أمامية مستقلة.
مقارنة الطاقة والكثافة وقابلية الخدمة
لا توجد بنية ضوئية واحدة مثالية لكل مركز بيانات. يجب موازنة الطاقة المنخفضة والمسارات الكهربائية الأقصر مقابل الصيانة، وتعقيد المنصة، ومرونة النشر، ونضج التقنية.
| عامل التصميم | DSP قابل للتبديل | LPO | NPO | CPO |
|---|---|---|---|---|
| استهلاك الطاقة | مرتفع | أقل | أقل | الأدنى |
| كثافة عرض النطاق الترددي | أقل | متوسطة | عالية | الأعلى |
| مستوى التكامل | منخفض | منخفض إلى متوسط | عالي | الأعلى |
| قابلية الخدمة الميدانية | ممتازة | جيدة | متوسطة | أكثر تعقيداً |
| مرونة النشر | عالية جداً | عالية | متوسطة | أقل |
| الدور النموذجي | بصريات عامة ناضجة | هجرة موفرة للطاقة | أنظمة جديدة عالية الكثافة | منصات مستقبلية فائقة الكثافة |
تغير LPO إلكترونيات الوحدة مع الحفاظ على نموذج التشغيل المادي لواجهة قابلة للتبديل التقليدية. وهذا يجعل إدخالها في البيئات التي لا يزال فيها الاستبدال الميداني مهماً أمراً بسيطاً نسبياً.
تقبل NPO تكاملاً نظامياً أكبر مقابل مسار كهربائي أقصر بكثير. نظراً لأن المحرك الضوئي يظل منفصلاً عن رزمة التبديل، فإنه يقدم حلاً وسطاً بين الكفاءة الكهربائية وقابلية الصيانة.
تركز CPO بشدة على التكامل. تزداد قيمتها مع ارتفاع كثافة عرض النطاق الترددي وأصبح الرابط الكهربائي نفسه قيداً مهيمناً. ومع ذلك، فإن التكامل نفسه يعني أنه لا يمكن التخطيط للصيانة بنفس الطريقة المتبعة مع البصريات الأمامية.
أين تتناسب كل بنية بشكل أفضل
تبدأ استراتيجية النشر الأكثر فعالية بسيناريو مركز البيانات بدلاً من اختيار التقنية الأكثر تكاملاً افتراضياً.
المرافق الحالية ومجموعات استدلال الذكاء الاصطناعي
تتناسب LPO بشكل جيد مع ترقيات مراكز البيانات الحالية (brownfield) حيث يلزم تقليل الطاقة ولكن لا يزال المشغلون يرغبون في واجهة قابلة للتبديل مألوفة. يضعها الخريطة التقنية للإرسال لمسافات قصيرة ومتوسطة لـ 800G و1.6T، بما في ذلك مجموعات استدلال الذكاء الاصطناعي والمرافق الحالية ذات هامش التبريد المحدود.
يمكن لهذا النوع من النشر تقليل عبء الطاقة المرتبط بمعالجة DSP على جانب الوحدة دون الحاجة إلى الانتقال فوراً إلى بصريات مثبتة على اللوحة أو مدمجة في الرزمة.
مواقع الحوسبة متوسطة الحجم الجديدة
تتناسب NPO بشكل أفضل مع تصميمات المعدات الجديدة حيث يمكن تحسين تخطيط PCB حول القنوات الكهربائية القصيرة. وهي مخصصة للتوصيل على مستوى الرف أو لمسافات قصيرة لـ 800G و1.6T مع موازنة التكامل الأعلى مع متطلبات الصيانة العملية.
بالنسبة لمركز بيانات ذكاء اصطناعي جديد (greenfield)، تسمح هذه البنية لمصممي النظام بتقصير المسار الكهربائي في مرحلة تصميم الأجهزة بدلاً من التعويض المستمر عن توصيل أمامي طويل.
شبكات التدريب كبيرة جداً
تُوضع CPO لمجموعات الذكاء الاصطناعي الكبيرة جداً والحوسبة عالية الأداء حيث تصبح كثافة عرض النطاق الترددي وكفاءة الطاقة أكثر أهمية من إجراءات استبدال الوحدات الضوئية التقليدية.
عند سرعات 1.6T وما بعدها، يصبح تقصير المسار الكهربائي إلى مستوى الرزمة جذاباً بشكل متزايد. ترتبط البنية بشكل خاص بأنظمة التبديل عالية التفرع قصيرة جداً في شبكات التدريب الكبيرة، حيث تولد آلاف المسرعات حركة مرور شرق-غرب هائلة.
التخطيط لهجرة مرحلية
يجب تصميم ترقية الشبكة الضوئية حول ميزانيات الطاقة، ودورة حياة المحول، وإجراءات الخدمة، والسرعة المتوقعة للواجهة. قد يؤدي نشر البنية الأكثر تكاملاً في كل مكان إلى تكلفة غير ضرورية وتعقيد في الصيانة.
بالنسبة لمركز بيانات قيد التشغيل، يمكن أن يبدأ المسار المرحلي بتحديد المحولات التي تستهلك فيها الوحدات الضوئية حصة كبيرة من طاقة المعدات. إذا كانت المنصة لا تزال تتطلب قابلية خدمة من اللوحة الأمامية، فقد يوفر النهج القابل للتبديل منخفض الطاقة الخطوة الأولى الأكثر عملية.
توفر تصميمات المحولات الجديدة حرية أكبر. يمكن أن يؤدي نقل المحرك الضوئي إلى PCB ووضعه على بعد بضعة سنتيمترات من سيليكون التبديل إلى تقليل فقدان القناة الكهربائية قبل أن يصبح شديداً بما يستدعي تعويضاً مكثفاً.
تصبح البصريات المدمجة بالكامل أكثر إقناعاً عندما تجعل سرعات الواجهة، وتفرع المحول، والكثافة الحرارية المسارات الكهربائية الأمامية التقليدية صعبة الاستمرار بشكل متزايد.
لذلك يمكن تلخيص إطار القرار العملي على النحو التالي:
-
استخدم نهج التوصيل الخطي القابل للتبديل عندما تكون كل من الطاقة المنخفضة والاستبدال الميداني مهمين.
-
انقل البصريات بالقرب من الرزمة عندما يمكن لمنصة جديدة دعم محركات ضوئية على مستوى اللوحة ومسارات PCB أقصر.
-
فكر في التكامل المدمج مع الرزمة عندما تصبح أقصى كثافة لعرض النطاق الترددي وأقل طول للمسار الكهربائي قيوداً تصميمية أساسية.
النشر المختلط معقول أيضاً. يمكن لمستويات مختلفة من المحولات، وأجيال المعدات، وأحجام المجموعات استخدام بنى ضوئية مختلفة داخل نفس بيئة مركز البيانات.
اتجاه السوق حتى عام 2028
تشير خريطة الطريق التقنية إلى انتقال تدريجي وليس حدث استبدال واحد.
بدأت LPO في التحرك نحو تبني أحجام أكبر اعتباراً من عام 2025. خلال عام 2026، تُوضع تطبيقات 800G و1.6T للنشر الدفعي في سيناريوهات استدلال الذكاء الاصطناعي وترقية مراكز البيانات الحالية. تقدر التوقعات السوقية المذكورة في المواد التقنية إجمالي شحنات LPO بحوالي 3-4 ملايين وحدة في عام 2026.
تتبع NPO منحنى تبني لاحقاً. يضع المصدر NPO لـ 1.6T في مرحلة نضج تقني خلال عام 2026، مع توقع شحنات أحجام صغيرة في النصف الثاني من 2026 وبدء نشر أكبر في 2027.
تمتلك CPO أطول دورة تكامل. تتوقع الخريطة شحنات تجريبية أولية لـ 1.6T حوالي نهاية عام 2026، يليها نشر تجاري أوسع خلال 2027-2028. بالنسبة لـ CPO من الجيل التالي 3.2T، من المتوقع أن يتطور التنفيذ الأوسع بعد عام 2028.
نمط النشر الناتج هو نمط تكميلي. خلال 2026-2027، من المتوقع أن تعالج LPO وNPO حصة كبيرة من سوق 800G و1.6T لمسافات قصيرة ومتوسطة، ولا سيما ترقيات مراكز البيانات الحالية ومجموعات الذكاء الاصطناعي متوسطة الحجم الجديدة. بعد عام 2028، تصبح CPO أكثر صلة بشبكات التدريب فائقة الكبرى لسرعات 3.2T وما فوقها.
هذا لا يعني أن بنية واحدة تختفي عندما تتوسع أخرى. تحل مستويات التكامل المختلفة مشاكل تشغيلية مختلفة، لذلك يمكن أن تظل أساليب متعددة نشطة عبر أجيال مراكز البيانات.
ملاحظات ختامية
التحول من الوحدات القابلة للتبديل التقليدية نحو LPO وNPO وCPO هو في الأساس استجابة لمشكلة التوصيل الكهربائي الناتجة عن زيادة عرض النطاق الترددي الضوئي بسرعة.
عند سعات محول 51.2 تيرابت في الثانية و102.4 تيرابت في الثانية، فإن التصميم القائم على مسارات PCB الطويلة، وتعويض DSP، والأعداد الكبيرة من الوحدات الأمامية عالية الطاقة يضع ضغطاً متزايداً على توصيل الطاقة والتبريد والكثافة المادية. يؤدي تقصير المسار الكهربائي إلى تغيير هذا التوازن.
تقدم LPO المسار الأقل إحداثاً للاضطراب من خلال الاحتفاظ بواجهة قابلة للتبديل مع تبسيط معالجة الإشارة على جانب الوحدة. تقرب NPO المحرك الضوئي إلى مسافة بضعة سنتيمترات من سيليكون التبديل، مما يحسن الكفاءة الكهربائية مع الاحتفاظ ببعض قابلية الاستبدال. تجلب CPO البصريات إلى نفس ركيزة الرزمة، مستهدفة أعلى كثافة عرض نطاق ترددي وأقل فقدان للمسار الكهربائي.
وبالتالي فإن الحل المناسب يعتمد على مكان وجود الشبكة في دورة حياتها. قد تعطي مراكز البيانات الحالية الأولوية للتوافق وقابلية الصيانة، ويمكن لمواقع الذكاء الاصطناعي الجديدة تحسين التكامل على مستوى اللوحة، وقد تتطلب أنظمة التدريب فائقة الكثافة المستقبلية تكاملاً ضوئياً على مستوى الرزمة. إن التعامل مع هذه البنى كخيارات تكميلية وليست بدائل شاملة يوفر مساراً أكثر عملية نحو شبكات 800G و1.6T و3.2T المستقبلية.
الأسئلة الشائعة
هل لا تزال LPO قادرة على استخدام عوامل الشكل الضوئية القابلة للتبديل القياسية؟
نعم. تحتفظ البنية الموصوفة في المواد التقنية بالتنسيقات القابلة للتبديل القياسية مثل QSFP-DD وOSFP. التغيير الرئيسي هو إزالة معالجة DSP على جانب الوحدة بدلاً من إلغاء الواجهة الفيزيائية القابلة للتبديل.
هل تتطلب NPO أن يكون المحرك الضوئي متصلاً بشكل دائم برزمة المحول؟
لا. في بنية NPO الموصوفة، يُركب المحرك الضوئي بالقرب من سيليكون التبديل على لوحة النظام ويمكن أن يظل قابلاً للاستبدال بشكل مستقل. هذا هو أحد الاختلافات الرئيسية بين التكامل القريب من الرزمة والتكامل المدمج بالكامل.
ما هو دور مصدر الليزر الخارجي في البصريات القريبة من الرزمة؟
يستخدم تطبيق NPO الموصوف هنا مصدر ليزر خارجي مستقل (ELS) لتوفير الطاقة الضوئية بينما يتولى المحرك الضوئي المثبت على اللوحة الإرسال والاستقبال الضوئي.
لماذا يتطلب إزالة DSP من الوحدة مزيداً من الاهتمام بتصميم المضيف؟
عندما يتم تقليل أو إزالة معالجة الإشارة على جانب الوحدة، تصبح جودة القناة الكهربائية أكثر اعتماداً على قدرات سيليكون التبديل، وتخطيط PCB، وتنفيذ المضيف بشكل عام. لذلك، فإن انخفاض تعقيد الوحدة يزيد من أهمية هندسة سلامة الإشارة على مستوى النظام.
