CPO光電共封即將放量，用光電融合技術(shù)解決海量數據傳輸

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）在算力向更高水平發(fā)展的推動(dòng)下，數據量在飛速膨脹，尤其是AI大模型、機器學(xué)習等新的數據中心業(yè)務(wù)流量正在推動(dòng)端到端以及到用戶(hù)的成倍的數據增長(cháng)。

海量的數據需要迅速地流轉至各個(gè)角度，數據傳輸速率也從100GbE向400GbE，甚至800GbE的方向發(fā)展，以匹配暴增的算力和數據交互需求。線(xiàn)路速率的升級，相關(guān)硬件的板級復雜性大大增加，傳統I/O已經(jīng)無(wú)法應對將高速信號從ASIC傳輸到前面板時(shí)各種需求。在此背景下，CPO光電共封裝受到追捧。

數據處理需求激增，CPO光電共封受關(guān)注

在傳統的光通信系統中，光學(xué)模塊和AISC（網(wǎng)絡(luò )交換芯片）是分開(kāi)封裝的，光模塊以可插拔的模式插在交換機的前面板上?？刹灏蔚哪Ｊ较氡囟疾荒吧?，傳統的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(xiàn)上的首選，但可插拔模式已經(jīng)在高數據速率下暴露出一些問(wèn)題，光器件和電路板之間的連接長(cháng)度、信號傳輸損耗、功耗、質(zhì)量隨著(zhù)數據處理速度需求的進(jìn)一步增加都會(huì )受到制約。

為了解決傳統連接的制約，CPO光電共封裝開(kāi)始受到關(guān)注。光電共封裝全稱(chēng)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(guò)短距離的電連接將它們連接起來(lái)，從而實(shí)現緊湊的光電一體化。

CPO光電共封裝帶來(lái)的尺寸和重量的優(yōu)勢是很明顯的，實(shí)現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(cháng)度可以大大減少，這就意味著(zhù)可以降低傳輸時(shí)的損耗。

根據Ayar Labs的測試數據，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。根據博通的測算，在400G可插拔光模塊上，CPO的方案在功耗上能節約50%左右，1600G可插拔光模塊相比，CPO方案能節約的功耗將更多。

更集中的布局也使得互連密度大幅提升，電信號的延遲和失真都會(huì )有所好轉，傳輸速度的制約也不再像傳統可插拔模式。

還有一點(diǎn)則是成本，今天的人工智能、服務(wù)器和交換機系統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(lái)，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問(wèn)題，大大提高了互連密度為未來(lái)更高速率數據連接提供了技術(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60年代，不過(guò)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(zhù)光通信模塊產(chǎn)業(yè)起量，光電共封裝開(kāi)始嶄露頭角。隨著(zhù)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(zhù)不同的形式，對應20/50Tb/s需求的2.5D CPO，到對應50/100Tb/s需求的2.5D Chiplet CPO，最后實(shí)現對應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(xiàn)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)現小于50um pitch的I/O間距的互連。其演進(jìn)目標非常明確，就是要盡可能地將光電轉換模塊與網(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(guò)低、維護成本高等問(wèn)題，市面上能完整提供CPO相關(guān)產(chǎn)品的廠(chǎng)商很少。市面上推出完整專(zhuān)有方案的也只有博通、Marvell、英特爾以及少數其他一些參與者。

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，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，可達到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交換機芯片。

從博通的最新一代CPO技術(shù)細節來(lái)看，CPO 3D封裝通過(guò)工藝的改進(jìn)實(shí)現了更高的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用器/解復用器上的應用。思科表示將在51.2Tb交換機中進(jìn)行CPO的試驗性部署，然后在102.4Tb交換機周期內進(jìn)行大規模應用。

英特爾很早就推出了基于CPO的交換機，最近幾年英特爾也在持續Ayar Labs合作探索共封裝更高的帶寬信號互連方案，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(lái)的整體能效的提升已經(jīng)吸引了越來(lái)越多廠(chǎng)商。根據光通訊調研機構LightCounting預測，CPO出貨量將從800G和1.6T端口開(kāi)始出現明顯增長(cháng)，2024至2025年逐步開(kāi)始商用，2026至2027年形成規模上量。同時(shí)CIR預計，2027年光電共封裝的市場(chǎng)收入將達到54 億美元。

這一預期與臺積電對于CPO市場(chǎng)的判斷差不多，今年早些時(shí)候，臺積電宣布將攜手博通、英偉達等大客戶(hù)共同開(kāi)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(kāi)始迎來(lái)大單，2025年左右達到放量階段。

國內廠(chǎng)商也在緊鑼密鼓推進(jìn)CPO技術(shù)應用，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(xiě)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)體現了光電融合帶來(lái)的改變，而且給數據傳輸帶來(lái)改變無(wú)疑是顛覆性的。雖然很長(cháng)一點(diǎn)時(shí)間可能只有大型數據中心才能看到CPO的應用，但隨著(zhù)大算力高帶寬需求的進(jìn)一步擴張，CPO光電共封技術(shù)已經(jīng)成為新戰場(chǎng)。

可以看到在CPO耕耘的廠(chǎng)商普遍認為2025年會(huì )是一個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)，這也是交換速率達到102.4Tbps的節點(diǎn)，到時(shí)可插拔模塊的弊端將進(jìn)一步放大。雖然CPO應用可能到來(lái)的會(huì )有些緩慢，但是光電共封裝毫無(wú)疑問(wèn)實(shí)現高速率高帶寬低功耗網(wǎng)絡(luò )的必經(jīng)之路。