今天這篇文章，我們來聊聊數據中心的兩項最新黑科技—NPO/CPO。
故事還是要從頭開始講起。
去年，國家發布了“東數西算”戰略，吸引了全社會的關注。
所謂“東數西算”，其實就是數據中心的任務分工調整。我們將東部沿海地區的部分需求，轉移到西部地區的數據中心完成。
之所以這么做，就是因為西部地區能源資源比較充沛，而且自然溫度較低，可以大幅減少電費以及碳排放。
現階段我們大搞數字化轉型和數字經濟，離不開數據中心。但是，數據中心的耗電問題，無法忽視。
根據數據顯示，2021年全國數據中心總用電量為2166億千瓦時，占全國總用電量的2.6%，相當于2個三峽水電站的年發電量，1.8個北京地區的總用電量。
如此恐怖的耗電量，對我們實現“雙碳”目標造成了很大壓力。
于是乎，行業開始加緊研究，究竟如何才能將數據中心的能耗降下來。
數據中心（IDC）
大家應該都知道，數據中心有一個重要的參數指標，那就是PUE（Power Usage Effectiveness，電能使用效率）。
PUE=數據中心總能耗/IT設備能耗。其中數據中心總能耗，包括IT設備能耗，以及制冷、配電等其它系統的能耗。
我們可以看出，除了用在主設備上的電量之外，還有很大一部分能耗，用在散熱和照明上。
所以，搗鼓數據中心的節能減排，思路就在兩點：
1、減少主設備的功耗
2、減少散熱和照明方面的功耗（主要是散熱）
█ 主設備的功耗挑戰
說起主設備，大家馬上就想到了服務器。是的沒錯，服務器是數據中心最主要的設備，它上面承載了各種業務服務，有CPU、內存等硬件。
但實際上，主設備還包括一類重要的設備，那就是網絡設備，也就是交換機、路由器、防火墻等。
目前，AI/ML（人工智能/機器學習）的加速落地，再加上物聯網的高速發展，使得數據中心的業務壓力越來越大。
這個壓力不僅體現在需求上，也體現在網絡流量上。數據中心的網絡接入帶寬標準，從過去的10G、40G，一路提升到現在100G、200G甚至400G。
網絡設備為了滿足流量增長的需求，自身也就需要不斷迭代升級。于是乎，更強勁的交換芯片，還有更高速率的光模塊，統統開始用上。
我們先看看交換芯片。
交換芯片是網絡設備的心臟，它的處理能力直接決定了設備的能力。這些年，交換芯片的功耗水漲船高，如下圖所示：
交換機芯片功耗變化趨勢
值得一提的是，雖然網絡設備的總體功耗在持續提升，但是，單Bit（比特）的功耗是持續降低的。也就是說，能效越來越高。
再看光模塊。
光模塊在光通信領域，擁有重要的地位，直接決定了網絡通信的帶寬。
早在2007年的時候，一個萬兆（10Gbps）的光模塊，功率才1W左右。
隨著40G、100G到現在的400G，800G甚至以后的1.6T光模塊，功耗提升速度就像坐上了火箭，一路飆升，直逼30W。大家可要知道，一個交換機可不止一個光模塊，滿載的話，往往就有幾十個光模塊（假如48個，就是48×30=1440 W）。
一般來說，光模塊的功耗大約占整機功耗的40%以上。這就意味著，整機的功耗極大可能會超過3000 W。
一個數據中心，又不止一交換機。這背后的功耗，想想都很可怕。
除了交換芯片和光模塊之外，網絡設備還有一個大家可能不太熟悉的“耗電大戶”，那就是——SerDes。
SerDes是英文SERializer（串行器）/DESerializer（解串器）的簡稱。在網絡設備中，它是一個重要器件，主要負責連接光模塊和網絡交換芯片。
簡單來說，就是將交換芯片出來的并行數據，轉換成串行數據進行傳輸。然后，在接收端，又將串行數據轉換成并行數據。
前面提到，網絡交換芯片的能力在不斷提升。因此，SerDes的速率也必須隨之提升，以便滿足數據傳輸的要求。
SerDes的速率提升，自然就帶動了功耗的增加。
在102.4Tbps時代，SerDes速率需要達到224G，芯片SerDes（ASIC SerDes）功耗預計會達到300W。
需要注意的是，SerDes的速率和傳輸距離，會受到PCB材料工藝的影響，并不能無限增加。換句話說，當SerDes速率增加、功耗增加時，PCB銅箔能力不足，不能讓信號傳播得更遠。只有縮短傳輸距離，才能保證傳輸效果。
這有點像扔鉛球比賽，當鉛球越重（SerDes速率越高），你能扔的距離就越短。
具體來說，SerDes速率達到224G時，最多只能支持5~6英寸的傳輸距離。
這意味著，在SerDes沒有技術突破的前提下，網絡交換芯片和光模塊之間的距離，必須縮短。
綜上所述，交換芯片、光模塊、SerDes，是網絡設備的三座“功耗”大山。
根據設備廠商的數據顯示，過去的12年時間，數據中心的網絡交換帶寬提升了80倍，背后的代價就是：交換芯片功耗提升約8倍，光模塊功耗提升26倍，交換芯片SerDes功耗提升25倍。
信息來源：2020 Cisco and/or its affiliates.All rights reserved.Cisco Public
在此情況下，網絡設備在數據中心內的功耗占比，隨之不斷攀升。
網絡設備（紅色）的能耗占比
數據來源：Facebook-OIF CPO Webinar 2020
█ 散熱的功耗挑戰
前面小棗君仔細介紹了網絡設備的功耗挑戰。接下來，我們再看看散熱。
事實上，相比對網絡設備的功耗提升，散熱的功耗才是真正的大頭。
根據數據統計，交換設備在典型數據中心總能耗中的占比，僅僅只有4%左右，還不到服務器的1/10。
但是散熱呢？根據CCID數據統計，2019年中國數據中心能耗中，約有43%是用于IT設備的散熱，基本與45%的IT設備自身的能耗持平。
即便是現在國家對PUE提出了嚴格要求，按照三級能效（PUE=1.5，數據中心的限定值）來算，散熱也占了將近40%。
傳統的散熱方式（風冷/空調制冷），已經不能滿足當前高密數據中心的業務發展需求。于是，我們引入了液冷技術。
液冷，是使用液體作為冷媒，為發熱部件散熱的一種新技術。引入液冷，可以降低數據中心能近90%的散熱能耗。數據中心整體能耗，則可下降近36%。
這個節能效果，可以說是很給力了，直接省電三分之一。
除了散熱更強更省電之外，液冷在噪音、選址（不受環境氣候影響）、建設成本（可以讓機柜采用高密度布局，減少機房占地面積）等方面也有顯著優勢。
所以，現在幾乎所有的數據中心，都在采用液冷。有的液冷數據中心，甚至可以將PUE干到1.1左右，接近1的極限值。
液冷，是不是把整個設備全部浸沒在液體里呢？
不一定。
液冷的方案，一般包括兩種，分別是浸沒式和冷板式。
浸沒式，也叫直接式，是將主設備里發熱量大的元器件，全部浸入冷卻液中，進行散熱。
冷板式，也稱間接式，是將主要散熱部件與一塊金屬板貼合，然后金屬板里有冷媒液體流動，把熱量帶走。現在很多DIY組裝電腦，就是冷板式。
服務器采用液冷，已經是非常成熟的技術。那么，既然要上液冷，當然是服務器和網絡設備一起上，會更好啊，不然還要搞兩套體系。
問題來了，咱們的網絡設備，能上液冷嗎？
█ NPO/CPO，閃亮登場
當當當！鋪墊了那么多，我們的主角，終于要閃亮登場了。
為了盡可能地降低網絡設備的自身工作功耗以及散熱功耗，在OIF（光互聯網絡論壇）的主導下，業界多家廠商，共同推出了——NPO/CPO技術。
2021年11月，國內設備廠商銳捷網絡（Ruijie Networks），發布了25.6T的NPO冷板式液冷交換機。2022年3月，他們又發布了51.2T的 NPO冷板式液冷交換機（概念機）。
NPO冷板式液冷交換機
NPO，英文全稱Near packaged optics，近封裝光學。CPO，英文全稱Co-packaged optics，共封裝光學。
簡單來說，NPO/CPO是將網絡交換芯片和光引擎（光模塊）進行“封裝”的技術。
我們傳統的連接方式，叫做Pluggable（可插拔）。光引擎是可插拔的光模塊。光纖過來以后，插在光模塊上，然后通過SerDes通道，送到網絡交換芯片（AISC）。
CPO呢，是將交換芯片和光引擎共同裝配在同一個Socketed（插槽）上，形成芯片和模組的共封裝。
NPO是將光引擎與交換芯片分開，裝配在同一塊PCB基板上。
大家應該能看出來，CPO是最終形態，NPO是過渡階段。NPO更容易實現，也更具開放性。
之所以要做集成（“封裝”），目的很明確，就是為了縮短了交換芯片和光引擎間的距離（控制在5~7cm），使得高速電信號能夠高質量的在兩者之間傳輸，滿足系統的誤碼率（BER）要求。
縮短距離，保證高速信號的高質量傳輸
集成后，還可以實現更高密度的高速端口，提升整機的帶寬密度。
此外，集成使得元件更加集中，也有利于引入冷板液冷。
NPO交換機內部（揭開冷板后）
可以看到，交換芯片和光引擎之間的距離大幅縮短
NPO/CPO技術的背后，其實就是現在非常熱門的硅光技術。
硅光，是以光子和電子為信息載體的硅基光電子大規模集成技術。簡單來說，就是把多種光器件集成在一個硅基襯底上，變成集成“光”路。它是一種微型光學系統。
硅光之所以這么火，根本原因在于微電子技術已經逐漸接近性能極限，傳統的“電芯片”在帶寬、功耗、時延方面，越來越力不從心，所以，就改走了“（硅）光芯片”這個新賽道。
█ NPO/CPO交換機的進展
NPO/CPO技術是目前各大廠商研究的熱門方向。尤其是NPO，因為擁有最優開放生態，產業鏈更加成熟，可以獲得成本及功耗的最快收益，所以，發展落地更快。
前面提到了銳捷網絡的25.6T硅光NPO冷板式液冷交換機。
這款NPO交換機基于112G SerDes的25.6T的交換芯片，1RU的高度，前面板支持64個連接器的400G光接口，由16個1.6T（4×400G DR4）的NPO模塊組成，支持8個ELS/RLS（外置激光源模塊）。
散熱方面，采用了非導電冷卻劑的冷板冷卻方式。
那款51.2T硅光NPO冷板式液冷交換機，高度不變，將NPO模組從1.6T升級到了3.2T，前面板支持64個800G連接器，每個連接器還可以分成2個400G端口，實現向前兼容。外置光源模塊增加到了16個。
51.2T NPO冷板式液冷交換機
在實際組網中，51.2T的NPO交換機（最快在2023年底商用發布），可以應用于100G/200G的接入網絡，作為接入&匯聚設備，實現高速互聯。
值得一提的是，NPO/CPO的技術和產品研發，并不是一件簡單的事情，背后是對一家企業整體研發實力的考驗。
這次銳捷網絡發布NPO/CPO產品，是他們持續投入資源進行艱苦研發和創新的成果，也體現了他們在這個領域的技術領先性。
銳捷網絡在2019年開始關注硅光領域技術，2020年6月正式成立研發及產品團隊。作為OIF/COBO的成員，他們一直都有參與工作組全球會議，參加相關標準的討論和制定。
OIF工作組全球會議現場
在硅光這個方向上，銳捷網絡已經走在了前列，未來可期。
█ 結語
好了，介紹了這么多，相信大家已經看明白，到底什么是NPO/CPO了。
這兩項技術，是數據中心網絡設備毫無疑問的發展方向。在目前的數字化浪潮下，我們對網絡通信能力的追求是無止境的。在追求性能的同時，我們也要努力平衡功耗。畢竟，我們要走的是可持續性發展的道路。
希望以NPO/CPO為代表的硅光科技，能夠進一步加速落地，為信息基礎設施的綠色低碳做出貢獻。
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