CPO光電共封即將放量，用光電融合技術(shù)解決海量數(shù)據(jù)傳輸
電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）在算力向更高水平發(fā)展的推動(dòng)下，數(shù)據(jù)量在飛速膨脹，尤其是AI大模型、機(jī)器學(xué)習(xí)等新的數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)流量正在推動(dòng)端到端以及到用戶的成倍的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)。
海量的數(shù)據(jù)需要迅速地流轉(zhuǎn)至各個(gè)角度，數(shù)據(jù)傳輸速率也從100GbE向400GbE，甚至800GbE的方向發(fā)展，以匹配暴增的算力和數(shù)據(jù)交互需求。線路速率的升級(jí)，相關(guān)硬件的板級(jí)復(fù)雜性大大增加，傳統(tǒng)I/O已經(jīng)無法應(yīng)對(duì)將高速信號(hào)從ASIC傳輸?shù)角懊姘鍟r(shí)各種需求。在此背景下，CPO光電共封裝受到追捧。
數(shù)據(jù)處理需求激增，CPO光電共封受關(guān)注
在傳統(tǒng)的光通信系統(tǒng)中，光學(xué)模塊和AISC（網(wǎng)絡(luò)交換芯片）是分開封裝的，光模塊以可插拔的模式插在交換機(jī)的前面板上。可插拔的模式想必都不陌生，傳統(tǒng)的I/O連接很多都以可插拔的模式連接在一起。
雖然目前可插拔仍舊是技術(shù)路線上的首選，但可插拔模式已經(jīng)在高數(shù)據(jù)速率下暴露出一些問題，光器件和電路板之間的連接長(zhǎng)度、信號(hào)傳輸損耗、功耗、質(zhì)量隨著數(shù)據(jù)處理速度需求的進(jìn)一步增加都會(huì)受到制約。
為了解決傳統(tǒng)連接的制約，CPO光電共封裝開始受到關(guān)注。光電共封裝全稱Co-packaged optics，即將光模塊和AISC（網(wǎng)絡(luò)交換芯片）封裝在一起，通過短距離的電連接將它們連接起來，從而實(shí)現(xiàn)緊湊的光電一體化。
CPO光電共封裝帶來的尺寸和重量的優(yōu)勢(shì)是很明顯的，實(shí)現(xiàn)了高速光模塊的小型化和微型化。光模塊和AISC（網(wǎng)絡(luò)交換芯片）在板上更加集中，光纖長(zhǎng)度可以大大減少，這就意味著可以降低傳輸時(shí)的損耗。
根據(jù)Ayar Labs的測(cè)試數(shù)據(jù)，CPO光電共封裝甚至能夠相較于可插拔的光模塊直接把功耗降低一半。根據(jù)博通的測(cè)算，在400G可插拔光模塊上，CPO的方案在功耗上能節(jié)約50%左右，1600G可插拔光模塊相比，CPO方案能節(jié)約的功耗將更多。
更集中的布局也使得互連密度大幅提升，電信號(hào)的延遲和失真都會(huì)有所好轉(zhuǎn)，傳輸速度的制約也不再像傳統(tǒng)可插拔模式。
還有一點(diǎn)則是成本，今天的人工智能、服務(wù)器和交換機(jī)系統(tǒng)要求極高的密度和速度，電流需求迅速增加，在不使用CPO共封裝的情況下，需要大量的高端連接器將光模塊連接起來，這是很大的成本。CPO共封裝可以減少的連接器也是降低BOM中的很大一部分。
CPO光電共封裝是實(shí)現(xiàn)高速率高帶寬低功耗網(wǎng)絡(luò)的必經(jīng)之路，這種將硅光電元件和電子組件封裝在一起的技術(shù)，使得光模塊盡可能地靠近網(wǎng)絡(luò)交換芯片減少了通道損耗和阻抗不連續(xù)問題，大大提高了互連密度為未來更高速率數(shù)據(jù)連接提供了技術(shù)支持。
CPO光電共封裝技術(shù)演化與進(jìn)展
光電共封裝其實(shí)并不是一個(gè)全新的技術(shù)，其發(fā)展可以追溯至上世紀(jì)60年代，不過此時(shí)的光電共封裝還只是簡(jiǎn)單地將光電子器件封裝在一起。到90年代，隨著光通信模塊產(chǎn)業(yè)起量，光電共封裝開始嶄露頭角。隨著今年高算力高帶寬需求的井噴，和其相關(guān)的分支技術(shù)光電共封裝也再次受到大量關(guān)注。
CPO光電共封裝在技術(shù)發(fā)展中，每一階段也有著不同的形式，對(duì)應(yīng)20/50Tb/s需求的2.5D CPO，到對(duì)應(yīng)50/100Tb/s需求的2.5D Chiplet CPO，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)100Tb/s速率以上的3D CPO。
2.5D CPO將光模塊與網(wǎng)絡(luò)交換芯片封裝在同一個(gè)基板上，縮短線距，增加I/O 密度，3D CPO則直接光學(xué)IC直接連接到中介層上，實(shí)現(xiàn)小于50um pitch的I/O間距的互連。其演進(jìn)目標(biāo)非常明確，就是要盡可能地將光電轉(zhuǎn)換模塊與網(wǎng)絡(luò)交換芯片之間的距離縮小。
目前CPO還處于起步階段，還存在良率過低、維護(hù)成本高等問題，市面上能完整提供CPO相關(guān)產(chǎn)品的廠商很少。市面上推出完整專有方案的也只有博通、Marvell、英特爾以及少數(shù)其他一些參與者。
Marvell去年就推出了一款采用VIA-LAST工藝的2.5D CPO技術(shù)的交換機(jī)，在硅光芯片加工完成后，借助OSAT的加工能力加工出TSV, 進(jìn)而將電芯片flip-chip到硅光芯片上，將16個(gè)光模塊和交換芯片Marvell Teralynx7在PCB上互連形成交換機(jī)，可達(dá)到12.8Tbps 的交換速率。
今年的OFC上，博通和Marvell也都展示了各家最新一代采用光電共封裝技術(shù)的51.2Tbps交換機(jī)芯片。
從博通的最新一代CPO技術(shù)細(xì)節(jié)來看，CPO 3D封裝通過工藝的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了更高的I/O密度，將CPO的功耗做到了5.5W/800G，能效比很高性能非常優(yōu)秀。同時(shí)博通也在向單波200Gbps、102.4T的CPO突破。
思科也加大了對(duì)CPO技術(shù)的投入，在今年OFC中做了CPO產(chǎn)品的演示，演示中展示其CPO技術(shù)積累，在集成度更高的多路復(fù)用器/解復(fù)用器上的應(yīng)用。思科表示將在51.2Tb交換機(jī)中進(jìn)行CPO的試驗(yàn)性部署，然后在102.4Tb交換機(jī)周期內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。
英特爾很早就推出了基于CPO的交換機(jī)，最近幾年英特爾也在持續(xù)Ayar Labs合作探索共封裝更高的帶寬信號(hào)互連方案，為光電共封裝和光互連器件的量產(chǎn)鋪平道路。
雖然目前可插拔模塊仍然是首選，但是CPO能帶來的整體能效的提升已經(jīng)吸引了越來越多廠商。根據(jù)光通訊調(diào)研機(jī)構(gòu)LightCounting預(yù)測(cè)，CPO出貨量將從800G和1.6T端口開始出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，2024至2025年逐步開始商用，2026至2027年形成規(guī)模上量。同時(shí)CIR預(yù)計(jì)，2027年光電共封裝的市場(chǎng)收入將達(dá)到54 億美元。
這一預(yù)期與臺(tái)積電對(duì)于CPO市場(chǎng)的判斷差不多，今年早些時(shí)候，臺(tái)積電宣布將攜手博通、英偉達(dá)等大客戶共同開發(fā)硅光子技術(shù)、共同封裝光學(xué)元件CPO等新產(chǎn)品，制程技術(shù)從45nm延伸到7nm，并表示最快明年下半年開始迎來大單，2025年左右達(dá)到放量階段。
國(guó)內(nèi)廠商也在緊鑼密鼓推進(jìn)CPO技術(shù)應(yīng)用，光迅、劍橋科技、博創(chuàng)科技、中際旭創(chuàng)等都有相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的布局。
寫在最后
作為涉及光子器件、集成電路、封裝、建模仿真等方方面面的跨學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域，CPO技術(shù)體現(xiàn)了光電融合帶來的改變，而且給數(shù)據(jù)傳輸帶來改變無疑是顛覆性的。雖然很長(zhǎng)一點(diǎn)時(shí)間可能只有大型數(shù)據(jù)中心才能看到CPO的應(yīng)用，但隨著大算力高帶寬需求的進(jìn)一步擴(kuò)張，CPO光電共封技術(shù)已經(jīng)成為新戰(zhàn)場(chǎng)。
可以看到在CPO耕耘的廠商普遍認(rèn)為2025年會(huì)是一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，這也是交換速率達(dá)到102.4Tbps的節(jié)點(diǎn)，到時(shí)可插拔模塊的弊端將進(jìn)一步放大。雖然CPO應(yīng)用可能到來的會(huì)有些緩慢，但是光電共封裝毫無疑問實(shí)現(xiàn)高速率高帶寬低功耗網(wǎng)絡(luò)的必經(jīng)之路。
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