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CPO光电共封即将放量,用光电融合技术解决海量数据传输

Robot Vision 来源:电子发烧友网 作者:李宁远 2023-12-10 06:12 次阅读
电子发烧友网报道(文/李宁远)在算力向更高水平发展的推动下,数据量在飞速膨胀,尤其是AI大模型、机器学习等新的数据中心业务流量正在推动端到端以及到用户的成倍的数据增长。
海量的数据需要迅速地流转至各个角度,数据传输速率也从100GbE向400GbE,甚至800GbE的方向发展,以匹配暴增的算力和数据交互需求。线路速率的升级,相关硬件的板级复杂性大大增加,传统I/O已经无法应对将高速信号ASIC传输到前面板时各种需求。在此背景下,CPO光电共封装受到追捧。
数据处理需求激增,CPO光电共封受关注
在传统的光通信系统中,光学模块和AISC(网络交换芯片)是分开封装的,光模块以可插拔的模式插在交换机的前面板上。可插拔的模式想必都不陌生,传统的I/O连接很多都以可插拔的模式连接在一起。
虽然目前可插拔仍旧是技术路线上的首选,但可插拔模式已经在高数据速率下暴露出一些问题,光器件和电路板之间的连接长度、信号传输损耗、功耗、质量随着数据处理速度需求的进一步增加都会受到制约。
为了解决传统连接的制约,CPO光电共封装开始受到关注。光电共封装全称Co-packaged optics,即将光模块和AISC(网络交换芯片)封装在一起,通过短距离的电连接将它们连接起来,从而实现紧凑的光电一体化。
CPO光电共封装带来的尺寸和重量的优势是很明显的,实现了高速光模块的小型化和微型化。光模块和AISC(网络交换芯片)在板上更加集中,光纤长度可以大大减少,这就意味着可以降低传输时的损耗。
根据Ayar Labs的测试数据,CPO光电共封装甚至能够相较于可插拔的光模块直接把功耗降低一半。根据博通的测算,在400G可插拔光模块上,CPO的方案在功耗上能节约50%左右,1600G可插拔光模块相比,CPO方案能节约的功耗将更多。
更集中的布局也使得互连密度大幅提升,电信号的延迟和失真都会有所好转,传输速度的制约也不再像传统可插拔模式。
还有一点则是成本,今天的人工智能、服务器和交换机系统要求极高的密度和速度,电流需求迅速增加,在不使用CPO共封装的情况下,需要大量的高端连接器将光模块连接起来,这是很大的成本。CPO共封装可以减少的连接器也是降低BOM中的很大一部分。
CPO光电共封装是实现高速率高带宽低功耗网络的必经之路,这种将硅光电元件和电子组件封装在一起的技术,使得光模块尽可能地靠近网络交换芯片减少了通道损耗和阻抗不连续问题,大大提高了互连密度为未来更高速率数据连接提供了技术支持。
CPO光电共封装技术演化与进展
光电共封装其实并不是一个全新的技术,其发展可以追溯至上世纪60年代,不过此时的光电共封装还只是简单地将光电子器件封装在一起。到90年代,随着光通信模块产业起量,光电共封装开始崭露头角。随着今年高算力高带宽需求的井喷,和其相关的分支技术光电共封装也再次受到大量关注。
CPO光电共封装在技术发展中,每一阶段也有着不同的形式,对应20/50Tb/s需求的2.5D CPO,到对应50/100Tb/s需求的2.5D Chiplet CPO,最后实现对应100Tb/s速率以上的3D CPO。
2.5D CPO将光模块与网络交换芯片封装在同一个基板上,缩短线距,增加I/O 密度,3D CPO则直接光学IC直接连接到中介层上,实现小于50um pitch的I/O间距的互连。其演进目标非常明确,就是要尽可能地将光电转换模块与网络交换芯片之间的距离缩小。
目前CPO还处于起步阶段,还存在良率过低、维护成本高等问题,市面上能完整提供CPO相关产品厂商很少。市面上推出完整专有方案的也只有博通、Marvell、英特尔以及少数其他一些参与者。
Marvell去年就推出了一款采用VIA-LAST工艺的2.5D CPO技术的交换机,在硅光芯片加工完成后,借助OSAT的加工能力加工出TSV, 进而将电芯片flip-chip到硅光芯片上,将16个光模块和交换芯片Marvell Teralynx7在PCB上互连形成交换机,可达到12.8Tbps 的交换速率。
今年的OFC上,博通和Marvell也都展示了各家最新一代采用光电共封装技术的51.2Tbps交换机芯片。
从博通的最新一代CPO技术细节来看,CPO 3D封装通过工艺的改进实现了更高的I/O密度,将CPO的功耗做到了5.5W/800G,能效比很高性能非常优秀。同时博通也在向单波200Gbps、102.4T的CPO突破。
思科也加大了对CPO技术的投入,在今年OFC中做了CPO产品的演示,演示中展示其CPO技术积累,在集成度更高的多路复用器/解复用器上的应用。思科表示将在51.2Tb交换机中进行CPO的试验性部署,然后在102.4Tb交换机周期内进行大规模应用。
英特尔很早就推出了基于CPO的交换机,最近几年英特尔也在持续Ayar Labs合作探索共封装更高的带宽信号互连方案,为光电共封装和光互连器件的量产铺平道路。
虽然目前可插拔模块仍然是首选,但是CPO能带来的整体能效的提升已经吸引了越来越多厂商。根据光通讯调研机构LightCounting预测,CPO出货量将从800G和1.6T端口开始出现明显增长,2024至2025年逐步开始商用,2026至2027年形成规模上量。同时CIR预计,2027年光电共封装的市场收入将达到54 亿美元。
这一预期与台积电对于CPO市场的判断差不多,今年早些时候,台积电宣布将携手博通、英伟达等大客户共同开发硅光子技术、共同封装光学元件CPO等新产品,制程技术从45nm延伸到7nm,并表示最快明年下半年开始迎来大单,2025年左右达到放量阶段。
国内厂商也在紧锣密鼓推进CPO技术应用,光迅、剑桥科技、博创科技、中际旭创等都有相关技术和产品的布局。
写在最后
作为涉及光子器件、集成电路、封装、建模仿真等方方面面的跨学科技术领域,CPO技术体现了光电融合带来的改变,而且给数据传输带来改变无疑是颠覆性的。虽然很长一点时间可能只有大型数据中心才能看到CPO的应用,但随着大算力高带宽需求的进一步扩张,CPO光电共封技术已经成为新战场。
可以看到在CPO耕耘的厂商普遍认为2025年会是一个关键节点,这也是交换速率达到102.4Tbps的节点,到时可插拔模块的弊端将进一步放大。虽然CPO应用可能到来的会有些缓慢,但是光电共封装毫无疑问实现高速率高带宽低功耗网络的必经之路。
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