一颗 DSP 吃掉光模块近一半功耗,它到底在干什么?

一颗 DSP 吃掉光模块近一半功耗,它到底在干什么?

(转载)今年只要关心 AI 光互连,「DSP」这三个字母大概躲不开。阿里云宣布规模部署 400G LPO 光模块,说功耗降了一半,靠的是「去掉 DSP」;SpaceX 收购光模块公司、落地量产选了 224G LPO,讨论里绕不开「要不要 DSP」;Marvell、Broadcom 的财报被反复念,念的也是这颗 DSP 的订单。还有一句「省掉 DSP 就能省一半功耗」,到处在传。

         可奇怪的是,被省掉的这颗芯片,它本身在光模块里到底干什么活,很少有人从头讲一遍。大家默认它「很重要、很贵、该省」,却说不清它处理了什么、为什么非它不可、把它拿掉之后那些活去哪了。

         先搞清楚 DSP(数字信号处理芯片)干什么,才谈得上「砍它」意味着什么、砍掉的活谁来接。这颗芯片是光模块里最贵、最耗电的之一,却最不被普通读者看见。


图注:一只 1.6T OSFP 光模块,上方放大的是模块里那颗电芯片,Broadcom 3nm 光 DSP(示意)。本文要讲的,就是这颗芯片在模块里干什么、为什么砍它。图源:NADDOD 产品资料。

先看懂:DSP 在光模块里到底在做什么

先把信号走的路摆出来。一只光模块,接收方向是这样一条链:光信号进来,先打到 PD(光电探测器)上变成微弱电流,经过 TIA(跨阻放大器)放大成电压,再进 DSP,DSP 处理完把干净的电信号送回主机的交换芯片。发送方向反过来:主机的电信号先进 DSP,DSP 处理后交给 driver(驱动器)去推 EML 或者 MZM 调制器,把电信号变成光发出去。这一串名词不用全记,先抓住一件事。信号在这里从光变回电、再从电变回光,DSP 就站在光电转换的交界上。

DSP 站在这条链的中间,干的就是把被高速链路糟蹋过的信号重新变回能读的比特。为什么会被糟蹋?因为速率越高,电信号在 PCB 走线、连接器、光电器件有限的带宽里越容易糊成一团,PAM4(四电平脉冲幅度调制,一个符号带 2 个比特)又比传统的开关键控更娇气。DSP 就是那个把糊掉的信号一步步救回来的角色。拆开看,主要是这么几件活:

时钟对齐(CDR,时钟数据恢复):信号进来先要对准节拍,要从波形里恢复出采样时钟的频率和相位,知道「每个符号落在哪、该在什么时刻去读它」。这一步没做好,后面全乱。

均衡(EQ):这是 DSP 最吃算力的一档。信号在信道里被展宽、被前后符号互相干扰(ISI,码间串扰),均衡就是把这团糊账拆开。常见做法是 FFE(前馈均衡器)用多抽头的线性滤波去补前后游标的失真,DFE(判决反馈均衡器)用已经判决出来的历史符号去抵消拖在后面的 ISI。这套过程是自适应的,信道什么样,系数就自动跟着调。

PAM4 映射/解映射与判决:把均衡后清晰的多电平波形,按门限重新判成 0、1、2、3 四个电平,再还原成比特流。

前向纠错(FEC):给数据加一层可纠错的冗余校验,接收端发现错了能自己纠回来。它的分量不小。PAM4 在这么高速率下,纠错前的误码率本来在万分之几的量级,靠 FEC 才把它纠到以太网要求的 10⁻¹³ 量级甚至更低,链路才敢这么跑。

速率适配(gearbox):把主机侧的通道数和速率,匹配到光通道的排布上,比如把主机侧 16 个 100G 的电通道,重新组织成 8 个 200G 的光通道。



图注:DSP 接收端内部的信号处理链。信号经 AFE(模拟前端)、ADC 之后进入 DSP,由 FFE、DFE 做均衡,CDR 做时钟恢复,ADAPT 做自适应,DET/MLSD 做判决,一步步把糊掉的波形救回成比特。图源:Synopsys


这还只是「算法」层面。真实的 DSP 芯片里还集成了高速的模拟前端和 SerDes、链路训练与自适应控制、以及把误码、光功率、温度这些状态往外报的遥测告警能力。换句话说,DSP 不只是在算,它还在盯着这条链路的健康、随时微调、出问题能报警。

砍掉 DSP,从来不是「少装一颗芯片」那么简单。

相干光模块用的 DSP 更重。除了上面这些,它还要额外做色散补偿、偏振解复用、载波相位恢复、频偏校正,配的还是更强的 FEC。这也是为什么相干 DSP 芯片更大、更贵。这一点,我们在讲国产缺口时还会回来。

它凭什么吞掉近一半功耗、两成成本

把这几件活叠起来,在 200G/lane 这一档要实时跑完,DSP 就得用上最先进、也最贵的制程。1.6T 这一代的 IMDD DSP 主流是 3nm,相干 DSP 更是提前迈进了 2nm。芯片一贵,账就出来了。

据产业链估算的典型口径,一颗 1.6T DSP 单芯片功耗大约在 10-15W,而整只全 DSP 的 1.6T 模块也就 25-30W。一颗 DSP 就吃掉了接近一半,是模块里单一最耗电的组件之一。成本上,过去半年产业链分析普遍把 DSP 的 BOM 占比放在两三成。

功耗一半、成本两三成、还站在最贵的节点上,这三笔账加在一起,就是全行业都盯着这颗 DSP 想省下来的原因。相比之下,光器件那一侧再怎么优化,省下的功耗也很难有把这颗 DSP 动一动来得直接。

至于这颗芯片由谁来供,高端 merchant(对外供货)市场里 Marvell 和 Broadcom 是领跑的第一梯队,其余几家在追赶。

问题也就很自然了:既然这么贵、这么耗电,能不能干脆把它砍了?答案是能,但没那么简单。它干的那些活不会凭空消失。

砍 DSP 不是开关,是一条连续谱

大多数人把「要不要 DSP」想成一个开关:要么全 DSP,要么全砍。但真实的产业形态是一条连续谱,中间有明确的档位。

一头是全 DSP(业内叫 FRO,full-retimed),收发两端都由 DSP 完整处理,功耗最高,但把均衡、重定时、诊断、互操作这些活都收在模块内部,对系统最省心。另一头是LPO(线性直驱,模块里根本没有 DSP),靠主机的交换 ASIC 和 SerDes 直接驱动线性光模块。中间还夹着一档LRO(半重定时),模块发送端保留 DSP、接收端做成线性,砍一半留一半。

LPO 能省多少是实打实的。阿里云是全球第一家规模部署 LPO 的云厂商,用的是 100G/lane 的 400G DR4,公开口径是模块功耗降了 50% 以上,单只模块省下约 5W,同时时延从 DSP 方案的每跳 8-10 纳秒压到 3 纳秒以内。更极端的案例是 Adtran 的 800G LiteWave800,做到 0.8W、1 皮焦/比特。不过这是把低功耗做到尽头的特例,不是 LPO 的通用水位。


图注:Adtran 800G DR8 LPO 模块 LiteWave800,功耗低至 0.8W。去掉 DSP 之后,模块里只剩线性模拟前端,均衡等活交回主机侧。图源:Adtran 官网。


关键在于,省下来的不是凭空省的。DSP 拿掉之后,它原来干的那些活并没有消失,责任上移到了主机的 SerDes、交换 ASIC,以及运维系统头上。这件事,用一张账本看最清楚。看这张表只要盯住一件事。同一行里,这件活的归属往右(往 LPO)移的时候,多出来的代价落在了谁头上。

这件活
全 DSP(FRO)
LRO(半重定时)
LPO(线性直驱)
责任上移的后果
均衡与信号整形
模块 DSP 全包
发端模块做、收端交主机
主要由主机 SerDes/ASIC(模块仅余线性微调)
主机侧 SerDes 设计复杂度上升、通道余量吃紧
时钟重定时
模块 DSP 本地重建
模块 TX 有、模块 RX 无
交给主机 SerDes
链路对时序抖动更敏感
FEC 与误码纠正
模块可参与
部分上移
终点落到主机 PCS/ASIC
纠错余量是否够,成了系统级问题
诊断/误码监测
模块自报
混合
主机 ASIC 产生指标、模块经 CMIS 报有限遥测
出问题更难定位、模块可观测性下降
容错/链路裕量
模块吸收
折中
裕量收紧、由系统共担
链路预算更紧,容错空间变小
运维/互操作定义
模块厂封装好
部分开放
买方要和供应商共同定义
模块不再是即插即用的黑盒

看这张表,投资含义其实已经浮出来了:哪一列的责任在往主机侧扩张,哪个环节的利润和风险就在重新分配。省下的每一瓦功耗、每一美元成本,都悄悄转成了主机侧的设计难度、系统的容错压力和互操作调试的工作量。这笔账,模块厂不再替下游全包了。这也正好呼应我们此前写 SpaceX 那只 224G LPO 模块时的判断:LPO 让模块不再是黑盒,买方必须和供应商一起把链路定义清楚。

也正因如此,LRO 这一档才有存在的意义。它是全 DSP 这一路线面对 LPO 压力时的折中。发送端保留 DSP,顾住互操作和信号完整性这两件最难放手的事;接收端做成线性,把省一半里的那一半功耗先拿到手。

这条谱其实还能继续往下延。LPO 再往前是 NPO 和 CPO,那已经不只是砍不砍 DSP,而是把光引擎连同信号处理一起往交换芯片跟前挪。CPO 是把光引擎搬进交换芯片的同一个封装里,NPO 则是放到紧挨 ASIC 的位置、还没进同一封装。

两者都把电和光的边界整个往前推,省得更狠,对系统的重构也更彻底。看懂 FRO→LRO→LPO 这三档的责任怎么移,就足以看懂后面那些更靠前的形态,移动的是同一样东西。


当前,LPO 的红利眼下集中在短距(数据中心集群内、500 米以内),800G 已经规模量产;但到了 1.6T,长距互操作还没成熟,LPO MSA 的 1.6T LR 规范、IEEE 802.3dj 标准都还在推进。LPO 这条谱最终能往左走多远,取决于链路预算、可靠性和可测试性这几关能不能过。

为什么这颗电芯片,国产缺口比光器件更大

前面讲的是 DSP 的责任往哪里迁移;这一节换个角度,看那些仍然离不开 DSP 的档位(长距、相干、全 DSP 方案),这颗芯片能不能国产供上。答案很直接,比光器件难得多。

国产光器件这几年的进展是看得见的。EML、DFB 激光器、硅光,这条链上的国产替代都在往前挪。但 DSP 这颗电芯片的国产化节奏,和光器件完全不是一回事。

原因在于它卡的不是单一材料,而是好几道叠在一起的门槛:要最先进的制程节点、要第三方授权的高速 SerDes IP、要成熟的 FEC IP、要过 hyperscaler 长达半年到一年的客户认证、还要面对 DSP 和光器件深度绑定的封闭生态。光器件可以靠材料和工艺一点点攻,DSP 缺了其中任何一环都难以独立量产。

按行业调研的分档口径,这个缺口会随速率拉大:低端的 25G/50G PAM4 DSP,国产化率大约到了四成、已经批量商用;到 400G 这一档,国产化率降到一成左右、还在小批量导入;而 800G/1.6T 的高速档,国产化率不足 5%,几乎是零量产。速率越高,缺口越大。

落到具体玩家上,橙科微电子是国内规模化 PAM4 DSP 供应商里走得比较前的一家,50G 已经量产出货,据公开报道 100G 产品刚完成 full mask(流片),离规模量产还有距离,400G/800G 还在研发。华为海思有一条完整的相干 DSP 链路,但配的是自家系统、封闭自用、不对外售。公开可查的、能对外供货的国产相干 DSP,目前基本还是空白。

落到产业和估值:谁受益、跟踪什么、什么条件会失效

把上面几件事串起来,对关心产业和估值的读者,可以顺着「技术在变→产业位置怎么挪→估值变量是什么」这条线来看。这里分三层:先看模块厂,再看 DSP 供应商,最后看国产替代这个变量。

谁受益。LPO 渗透率往上走,最直接的受益方是能靠「去 DSP」拿订单的模块厂。据新易盛自己披露的口径,它的 800G LPO 模块独家供应 Meta、全球市占率约 75%,是这条路线里最直接的一家;再往上,主机侧的 SerDes 和交换 ASIC 能力方也跟着受益,因为责任上移之后,它们承接了更多价值量。

注意,对 DSP 供应商(Marvell、Broadcom 这些)来说,LPO 不等于丢单,而是客户结构分化。长距、相干、多厂互操作这几档仍然离不开 DSP,CPO 里 DSP 或等效的 PHY 也还在。真正的反面风险是,如果 hyperscaler 在短距场景大规模转向 LPO、NPO、CPO,模块侧 merchant DSP 的市场空间确实会被压缩。这是场景分化,不是被整体替代,但对看重 DSP 这条逻辑的人,是值得盯住的那条线。

还有一层容易被忽略的,是模块厂自己的位置。LPO 让模块变薄、变「哑」,DSP 这块集成价值没了,模块厂会不会从「卖整套方案」退回到「卖组装」?未必。模块的附加值会从 DSP 集成,往测试、光耦合、生产一致性、以及全链路整合能力上转移。有整合能力的厂商反而能把利润留住,只做组装的会被挤。

但这条路也有代价。DSP 那块价值没了,模块平均售价承压,而验证、售后和互操作调试的成本反而上去了,利润不会线性地跟着渗透率走。而国产 merchant DSP 一旦真突破,下游那些还在用全 DSP 方案的模块厂,电芯片对外依赖度就会松动,相关的国产替代逻辑会被重新定价。

跟踪什么。这件事有一串具体、可观测的信号,值得放进跟踪清单:

●橙科微 100G 往 400G 的量产进度,以及有没有进入头部模块厂的验证名单;9 月 CIOE 上的展品规格是个直接窗口。

●LPO MSA 的 1.6T LR 规范会不会发布、LRO 的实际部署比例、以及 IEEE 802.3dj 定稿和级联 FEC 的进展。这些决定连续谱往左走的速度。

●中际旭创半年报里,第一大供应商集中度和预付款项的变化,看电芯片这条上游是松了还是更紧了。

●华为海思的 oDSP 有没有外溢到第三方模块厂或运营商网络的信号。

●国产 224G SerDes IP 有没有团队完成首次流片。这是国产高速 DSP 绕不过的一道硬门槛。

上面的这套判断有明确的失效边界。如果 LPO 在 1.6T 长距上的互操作、可靠性、可测试性始终过不了关,那么「砍 DSP」就会停在短距这一格,DSP 保住长距和互操作这两块最难替代的场景;反过来,如果 LPO MSA 发布了 1.6T LR 规范、而且真有客户验证通过,那这条连续谱就会进一步往左移,责任上移的故事会加速。

说到底,这篇想留给我们的是两把尺。一把是「连续谱加上那张责任迁移账本」。再看到一个新的光模块形态,先问它落在谱的哪一格、砍掉的活到底谁接住了,比「有没有 DSP」这种二选一的问法好用得多。另一把是「国产 merchant DSP 突破」的可观测信号清单。与其等一个笼统的「国产替代」结论,不如盯着上面那几个具体动作,谁先亮,谁的位置就先变。