Consumo de energía del módulo óptico y densidad de ancho de banda: límites difíciles en las interconexiones de centros de datos de IA

Las redes de centros de datos de IA ya no están limitadas únicamente por la velocidad de transmisión máxima de un módulo óptico. La pregunta más difícil es si el sistema puede alimentar, enfriar, empaquetar y mantener suficientes enlaces ópticos para soportar la escala informática requerida.

A medida que la capacidad del switch supera los 51,2 Tb/s y las interfaces ópticas avanzan de 400G y 800G a 1,6T y tasas más altas, dos variables determinan cada vez más si la arquitectura puede escalar:

• Consumo de energía del módulo óptico

• Densidad de ancho de banda del módulo óptico

Estas variables están estrechamente relacionadas. Un mayor ancho de banda por puerto suele aumentar la pérdida eléctrica, la complejidad del procesamiento de señales, la generación de calor y la demanda de refrigeración. Agregar más puertos al mismo panel frontal concentra ese calor en un espacio más pequeño.

El límite resultante involucra no solo el módulo óptico, sino también el switch ASIC, SerDes, PCB, suministro de energía, sistema de enfriamiento, enrutamiento de fibra y modelo de mantenimiento.

¿Cuáles son los límites de potencia y densidad de ancho de banda de los módulos ópticos?

El consumo de energía del módulo óptico limita la capacidad eléctrica y térmica que queda disponible para la informática, mientras que la densidad del ancho de banda describe cuánta capacidad de datos se puede instalar dentro de un panel fijo, paquete o área de rack sin exceder los límites eléctricos, térmicos, mecánicos y de confiabilidad.

Ninguna métrica debe evaluarse de forma independiente. Un módulo de gran ancho de banda con potencia excesiva puede reducir la capacidad informática disponible en el mismo rack. Un módulo más pequeño puede mejorar la densidad física y al mismo tiempo crear un flujo de calor que el chasis no puede eliminar.

El consumo de energía como restricción del sistema

Un rack tiene un presupuesto finito de energía y refrigeración. La energía utilizada por los enlaces ópticos no está disponible para las GPU, la memoria, el silicio del conmutador, el almacenamiento y los equipos de refrigeración de soporte.

Con un número de puertos pequeño, algunos vatios adicionales por módulo pueden parecer manejables. Sin embargo, en cientos de puertos y decenas de miles de enlaces, la diferencia se convierte en una importante variable de infraestructura.

Es posible que una comparación completa deba incluir:

• Ambos extremos del enlace óptico.

• Host SerDes y reprogramación

• DSP y FEC

• Energía de fuente láser

• Pérdidas por conversión de energía

• Enfriamiento por encima

Los valores publicados de vatios por puerto no son directamente comparables a menos que utilicen el mismo límite del sistema.

La densidad de ancho de banda como restricción térmica

La densidad de ancho de banda puede referirse al ancho de banda por módulo, apertura del panel frontal, unidad de rack, conmutador o vatio. Estas medidas están relacionadas pero no son intercambiables.

Duplicar el ancho de banda del módulo no duplica automáticamente la densidad de conmutadores utilizables. El sistema aún debe proporcionar suficiente energía, mantener la integridad de la señal, eliminar el calor y dejar espacio para conectores, fibras, jaulas y acceso al servicio.

A niveles de potencia más altos, la densidad del ancho de banda depende cada vez más de la eliminación de calor en lugar de únicamente de las dimensiones del panel.

Por qué el escalamiento de velocidad en un solo carril está perdiendo eficiencia

La ruta convencional hacia un mayor ancho de banda óptico se ha basado en gran medida en carriles eléctricos y ópticos más rápidos:

25G → 50G → 100G → 200G PAM4

Este camino sigue siendo importante, pero cada transición requiere transmisores, receptores, ecualización, codificación y control de integridad de la señal más exigentes. El poder y la complejidad no necesariamente aumentan en proporción al rendimiento útil.

Por qué las tarifas de carril más altas aumentan la potencia y la complejidad

La brecha de escalamiento de computación y E/S

Un análisis basado en laBase de datos del modelo Epoch AIestimó que la computación utilizada para entrenar modelos de IA de vanguardia creció aproximadamente de cuatro a cinco veces por año entre 2010 y 2024.

Esta tasa se aplica a las ejecuciones de entrenamiento de frontera y no a todas las cargas de trabajo de IA. Sin embargo, ilustra cuán rápido puede crecer la demanda de comunicaciones en torno a grandes grupos de aceleradores.

El ancho de banda de E/S no sigue un programa de duplicación universal. Su desarrollo depende de las hojas de ruta de SerDes, el silicio del conmutador, las interfaces ópticas, el empaquetado, la entrega de energía y la refrigeración.

El desafío práctico es expandir la capacidad de comunicación lo suficientemente rápido como para evitar que la interconexión limite el sistema informático.

Sensibilidad del receptor, DSP y penalizaciones FEC

PAM4 transporta dos bits por símbolo utilizando cuatro niveles de amplitud, pero la menor separación entre esos niveles reduce el margen de ruido en comparación con NRZ.

UnContribución técnica IEEE 802.3calculó una penalización de modulación SNR óptica ideal de aproximadamente 4,8 dB para PAM4 en relación con NRZ. Las sanciones adicionales dependen del ancho de banda de la señal y de las condiciones de implementación.

Esto no significa que la sensibilidad del receptor se deteriore en una cantidad fija cada vez que se duplica la velocidad del carril. El rendimiento real depende de la velocidad en baudios, el ancho de banda del receptor, la pérdida de canal, la ecualización, el ruido, la FEC y el margen de implementación.

DSP y FEC pueden recuperar la calidad de la señal y ampliar el margen operativo, pero también consumen energía e introducen retrasos. Por lo tanto, el beneficio de los aumentos de velocidad en un solo carril disminuye a medida que se hace necesaria una mayor compensación eléctrica y digital.

Cómo la alimentación del módulo óptico limita el diseño del interruptor

El efecto de la potencia del módulo se vuelve más claro cuando se agrega a través de un interruptor completo.

Un ejemplo de presupuesto de energía de 51,2 T

Considere un conmutador ilustrativo de 51,2 Tb/s con módulos ópticos FR4 de 128 × 400 G:

En este cálculo, los módulos ópticos representan aproximadamente el 58,7% de la potencia combinada del módulo óptico y del conmutador ASIC.

Este porcentaje no representa la potencia de entrada total del interruptor, porque no se incluyen los ventiladores, los reguladores, la electrónica de control ni las pérdidas de conversión. Aun así, muestra que las interfaces ópticas pueden consumir energía en la misma escala que el silicio de conmutación.

Presupuesto de energía óptica del conmutador de 51,2 T

Potencia de red y densidad informática

Con un presupuesto de energía fijo, una menor potencia de la red puede liberar más capacidad eléctrica y térmica para la computación.

En su 2025anuncio de conmutación de fotónica, NVIDIA informó una eficiencia energética 3,5 veces mayor para su arquitectura anunciada en comparación con su base de implementación tradicional declarada.

Este es un resultado específico de la plataforma más que un factor de eficiencia universal de CPO. El efecto real sobre la densidad de la GPU también depende del número de puertos, la topología, la potencia del acelerador, la capacidad de refrigeración y el diseño del rack.

Los tres efectos sistémicos de una mayor potencia óptica

Tres efectos del sistema de alimentación del módulo óptico

Densidad de potencia y computación

Un vatio consumido por la red no se puede asignar a ningún otro lugar dentro del mismo envolvente del rack.

Una mayor potencia de la red puede generar menos aceleradores por rack, más racks para la misma carga de trabajo, conmutadores adicionales y una mayor demanda de refrigeración de las instalaciones.

Por lo tanto, la potencia del módulo óptico es una variable arquitectónica, no solo una especificación de componente.

Límites de potencia y refrigeración

A medida que los módulos enchufables superan los 800G, se debe eliminar más calor de cada posición del panel frontal.

ElDocumento técnico OSFP MSAafirma que el factor de forma OSFP1600 proporciona más de 30 W de capacidad térmica para ópticas de centros de datos de 1600G. Esta es una envolvente térmica de referencia, no una clasificación de potencia universal para cada módulo.

La potencia real depende del alcance, la implementación del DSP, la cantidad de longitudes de onda, la disposición del láser, la interfaz del host y la temperatura de funcionamiento.

Con un flujo de calor suficientemente alto, aumentar el flujo de aire se vuelve menos efectivo. La refrigeración líquida acorta el recorrido térmico transfiriendo calor a una placa fría cerca de los componentes de alta potencia.

Orientación ASHRAEdocumenta la refrigeración directa por agua caliente en el rango de 40 a 45 °C en entornos informáticos de alto rendimiento. Esto no define la temperatura del refrigerante requerida para cada módulo óptico, pero confirma que la refrigeración con agua caliente es un enfoque establecido en los centros de datos.

Potencia, temperatura y confiabilidad

En una estructura de IA de gran tamaño, incluso una baja probabilidad de falla a nivel de componente puede crear una carga operativa significativa.

Una temperatura de funcionamiento más baja puede retardar muchos mecanismos de degradación, pero la relación entre la temperatura y la vida útil depende del dispositivo y del modo de falla.

Guía de confiabilidad del NISTexplica que diferentes modos de falla pueden requerir diferentes modelos de aceleración.

Por lo tanto, un análisis de confiabilidad defendible debería identificar el mecanismo de falla relevante, definir el estrés operativo y validar el modelo con datos. Una temperatura más baja es generalmente beneficiosa, pero no produce un multiplicador universal de vida útil.

Por qué el panel frontal se está convirtiendo en un cuello de botella en el ancho de banda

Las redes de IA requieren una conmutación de alta base y con un bajo exceso de suscripción. Cuando no cabe suficiente ancho de banda en un conmutador, es posible que se requieran etapas Spine o Super-Spine adicionales.

Las etapas adicionales pueden aumentar:

• Estado latente

• Recuento de conmutadores y enlaces ópticos

• Consumo de energía

• Complejidad del cable

• Puntos de falla

• Costo

Densidad OSFP y expansión de la red

ElDiseño de referencia OSFP MSApresenta un conmutador 1RU con 32 puertos OSFP1600 que admiten 51,2 Tb/s de rendimiento agregado.

Esta es una configuración de referencia más que un límite físico universal. Sin embargo, demuestra cómo el ancho de banda del factor de forma puede afectar el número de conmutadores y la topología de la red.

Aumentar el ancho de banda del módulo puede reducir la cantidad de puertos físicos necesarios, pero solo si la energía, la refrigeración, el enrutamiento eléctrico y la administración de fibra siguen siendo prácticos.

La densidad del ancho de banda es, en última instancia, un problema térmico

Un módulo se puede hacer más pequeño, pero es posible que su potencia no disminuya al mismo ritmo. El resultado es un mayor flujo de calor dentro del panel frontal.

Por tanto, la densidad utilizable se ve afectada por:

• Rendimiento de la jaula y del disipador de calor

• Entrega de energía de PCB

• Enrutamiento eléctrico del host

• Densidad del conector y de la fibra.

• Capacidad del sistema de refrigeración

• Temperatura máxima del componente

Con un ancho de banda elevado, la densidad práctica de un factor de forma está determinada por la cantidad de calor que puede eliminar el sistema completo.

Densidad del panel frontal y arquitectura térmica XPO

XPO: mayor densidad con refrigeración líquida integrada

XPO significaÓptica enchufable extradensa.

En marzo de 2026,Arista anunció el acuerdo de fuentes múltiples de XPO. La arquitectura anunciada utiliza 64 canales a 200 Gb/s por canal, proporcionando 12,8 Tb/s por módulo y apuntando a 204,8 Tb/s de ancho de banda del panel frontal por unidad de rack de computación abierta.

El concepto utiliza una estructura de PCB dual Belly-to-Belly:

• Los componentes de alta potencia miran hacia adentro, hacia la estructura de refrigeración líquida.

• Los componentes de menor potencia miran hacia afuera.

• La refrigeración está integrada en la arquitectura del módulo.

• El conjunto óptico sigue siendo extraíble.

El valor de 204,8 Tb/s representa la capacidad de ancho de banda del panel frontal, no 128 módulos físicos en una unidad de rack.

El principal argumento de diseño de XPO es la facilidad de servicio. Intenta conservar el modelo de módulo reemplazable al tiempo que aumenta el paralelismo y mejora la ruta térmica.

Óptica enchufable tradicional, LPO, CPO y XPO

Conectable tradicional vs LPO vs CPO vs XPO

Óptica enchufable tradicional

Los módulos enchufables tradicionales se conectan al conmutador ASIC a través de pistas eléctricas de alta velocidad.

Ofrecen reemplazo en caliente, aislamiento claro de fallas, calificación de módulo independiente y suministro maduro de múltiples proveedores.

Su principal debilidad es el camino eléctrico. A velocidades de carril más altas, las pérdidas de PCB y conectores requieren más ecualización y procesamiento de señales, mientras que el calor aún debe eliminarse a través de una estructura restringida del panel frontal.

LPO

Óptica lineal enchufableElimina el DSP del módulo convencional y mantiene una ruta analógica entre el host y el módulo.

ElEspecificación LPO MSAAsigna funciones como FEC, reprogramación y conversión de datos al host y define puntos de prueba destinados a respaldar la interoperabilidad.

La eliminación del DSP del lado del módulo puede reducir la potencia del módulo y el retraso de procesamiento, pero impone mayores exigencias en la calidad SerDes del host, la pérdida de canal, la linealidad del transmisor, el ruido del receptor y el margen del enlace.

LPO no tiene una potencia, latencia o valor de alcance universales. Estos dependen del host completo y del enlace óptico.

CPO

Óptica empaquetadacoloca los motores ópticos cerca del interruptor ASIC, reduciendo la longitud y la pérdida de las conexiones eléctricas de más alta velocidad.

Esto puede reducir la ecualización, la reprogramación y la energía eléctrica de E/S, pero presenta desafíos en el empaquetado, la conexión de fibras, el diseño térmico, el aislamiento de fallas y la reparación en campo.

En 2023, elEl Foro de Interconexión Óptica publicó su Acuerdo de Implementación del Módulo Co-empaquetado 3.2T. Define un módulo de 3,2 Tb/s para conmutación Ethernet y proporciona aproximadamente 140 Gb/s por milímetro de densidad de ancho de banda en el borde del paquete.

En mayo de 2026, NVIDIA declaró que sus conmutadores Spectrum-X Ethernet Photonics estaban en producción. Este es un hito comercial importante, aunque no indica la adopción de CPO en toda la industria.

XPO

XPO conserva un módulo extraíble al tiempo que utiliza un mayor paralelismo y refrigeración líquida integrada.

Ofrece un saldo diferente al CPO:

• Mayor densidad que los enchufables convencionales

• Refrigeración líquida directa

• Reemplazo de campo

• Menos dependencia de la integración óptica a nivel de paquete

Sus desafíos restantes incluyen el diseño de interfaz eléctrica, la integración de placas frías, la gestión de fibra, la calificación de la producción y la interoperabilidad de múltiples proveedores.

Comparaciones de CPO de CWDM y DWDM

La arquitectura de longitud de onda afecta el diseño del láser, el recuento de fibras, el empaquetado, la pérdida óptica y la complejidad de la integración.

Las implementaciones CWDM y DWDM no se pueden comparar utilizando valores aislados de latencia o energía por bit a menos que se utilice el mismo límite de medición.

Un valor de latencia puede incluir o excluir:

• DSP y FEC

• Reprogramación

• Almacenamiento en búfer

• Interfaces de host

• Procesamiento de cambios

• Uno o ambos extremos del enlace.

La energía por bit se calcula como:

Energía por bit = Potencia ÷ Velocidad de bits entregada

Sin embargo, el cálculo debe definir si incluye los módulos, el host SerDes, los láseres, DSP, FEC, las interfaces de conmutación y la refrigeración.

DWDM puede colocar más longitudes de onda en una fibra, lo que potencialmente aumenta la densidad y reduce el número de fibras. También requiere un control más estricto de la longitud de onda, una salida láser estable y una integración óptica más compleja.

Las fuentes de múltiples longitudes de onda de un solo chip están ingresando a programas de evaluación, pero su valor de producción depende de la potencia de salida, la estabilidad de la longitud de onda, la eficiencia, el rendimiento y la vida útil.

DWDM no garantiza inherentemente una menor potencia o latencia en todos los sistemas CPO. El resultado depende de la arquitectura completa.

Interconexiones de ampliación y ampliación

Interconexiones ópticas de ampliación y ampliación

Ampliación

Las redes Scale-Up conectan aceleradores que deben operar como un sistema estrechamente coordinado.

El cobre sigue siendo atractivo en distancias cortas porque es de bajo costo y eléctricamente sencillo. Su alcance utilizable se vuelve más limitado a medida que aumentan la velocidad de señalización y la pérdida de canal.

Las investigaciones de sistemas publicadas han descrito los enlaces de cobre de alta velocidad actuales como limitados a distancias cortas dentro del rack en el entorno del centro de datos estudiado.

El alcance del cobre a 400G depende de la implementación. Varía según el diseño del cable, el número de conectores, la ecualización, el presupuesto de pérdida de inserción y la potencia disponible.

Las E/S ópticas y el CPO se vuelven más atractivos cuando el cobre ya no puede proporcionar la combinación necesaria de ancho de banda, densidad de enrutamiento, distancia y eficiencia.

Ampliación horizontal

Las redes de escalamiento horizontal conectan servidores y racks a través de conmutadores.

Requieren un mayor alcance, una base de conmutación alta, un gran número de puertos y un reemplazo práctico en el campo.

Los conectables tradicionales, LPO, CPO y XPO abordan diferentes partes de este problema:

• LPO reduce el procesamiento del lado del módulo.

• CPO acorta el camino eléctrico.

• XPO aumenta la densidad de conexión y la capacidad de refrigeración.

La transición debe entenderse a través de estándares específicos e hitos de productos en lugar de una fecha de adopción universal.

Marco de selección de ingeniería

La selección de la arquitectura debe comenzar con los requisitos del sistema, no con el valor de potencia del módulo más bajo publicado.

Las preguntas clave incluyen:

• ¿Qué alcance se requiere?

• ¿Qué límite de potencia o energía por bit se aplica?

• ¿Es obligatorio el reemplazo de campo?

• ¿Qué sistema de refrigeración está disponible?

• ¿Qué límite de latencia se está midiendo?

• ¿Se requiere interoperabilidad de múltiples proveedores?

Compare cuidadosamente la energía por bit

Un módulo de mayor potencia aún puede tener una energía por bit más baja si proporciona un ancho de banda mucho más utilizable.

Cada comparación debe definir la velocidad de bits, la dirección, el número de extremos del enlace, el límite DSP/FEC, la potencia del láser, el procesamiento del host y la sobrecarga de enfriamiento.

Evaluar el alcance y el margen de enlace

Las arquitecturas de menor potencia pueden operar con un margen de canal más estrecho.

La selección debe considerar la distancia de transmisión, el presupuesto del enlace de extremo a extremo, la calidad del canal eléctrico del host, la temperatura de funcionamiento, la variación de los componentes y las condiciones de envejecimiento.

Evaluar la refrigeración y la mantenibilidad

La potencia nominal de un módulo no demuestra que todos los chasis puedan enfriarlo.

El sistema también debe definir la unidad reemplazable. Los conectables tradicionales proporcionan un reemplazo simple del módulo, mientras que una mayor integración puede trasladar el límite de reparación a una tarjeta de línea, paquete o conjunto de interruptor.

Evaluar la madurez del ecosistema

El rendimiento técnico y la madurez del ecosistema son cuestiones diferentes.

Una nueva arquitectura puede mostrar resultados sólidos antes de tener especificaciones estables, múltiples proveedores, métodos de prueba comunes, interoperabilidad probada o procedimientos de reparación establecidos.

Qué significa la restricción de densidad de energía para la infraestructura de IA

El crecimiento futuro del ancho de banda no puede depender únicamente del aumento de la velocidad de un canal.

Requerirá una combinación de:

• Canales paralelos

• Multiplexación de longitud de onda

• Caminos eléctricos más cortos

• Embalaje más eficiente

• Materiales de menor pérdida

• Diseño térmico mejorado

A medida que aumenta el flujo de calor, los disipadores de calor externos más grandes proporcionan rendimientos decrecientes. La refrigeración debe acercarse a la fuente de calor y convertirse en parte de la arquitectura óptica.

La confiabilidad también debe abordarse mediante una temperatura de funcionamiento adecuada, una calificación específica del modo de falla, límites del sistema reparables y redundancia a nivel de red.

El módulo óptico, el conmutador ASIC, el paquete, la PCB, el sistema de refrigeración y la topología de la red deben diseñarse cada vez más como un solo sistema.

Preguntas frecuentes

¿Por qué los módulos ópticos consumen tanta energía?

Los módulos de alta velocidad requieren controladores láser, receptores, ecualización y, a menudo, DSP y FEC. La potencia también aumenta a medida que aumentan la pérdida del canal eléctrico y la velocidad del carril.

¿Qué limita la densidad del ancho de banda del módulo óptico?

Los principales límites son el espacio del panel frontal, la entrega de energía, el enrutamiento eléctrico, la gestión de fibra y la capacidad de refrigeración.

¿En qué se diferencian LPO, CPO y XPO?

LPO elimina el módulo DSP, CPO coloca la óptica cerca del ASIC y XPO combina un módulo extraíble con alto paralelismo y refrigeración líquida.

¿CPO siempre usa menos energía?

No siempre. El resultado depende del láser, la interfaz del host, el límite DSP/FEC, la refrigeración y las partes del sistema que se incluyen.

¿Por qué la temperatura afecta la confiabilidad?

Muchos mecanismos de degradación se aceleran a temperaturas más altas, pero la relación exacta depende del dispositivo y del modo de falla.

¿Qué arquitectura es mejor para el escalado horizontal y vertical?

Scale-Up favorece soluciones de corto alcance y baja latencia, como cobre, E/S ópticas y CPO. El escalamiento horizontal pone más énfasis en el alcance, la densidad de conmutación y la capacidad de servicio.