在今年的光纖通信會議(OFC) 會議上，光電共封(CPO)成為芯片廠商的一大熱議話題，博通、Marvell介紹了各家的采用光電共封裝技術(shù)的51.2Tbps的交換機(jī)芯片，思科也展示了其CPO技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可行性原理，在光電共封技術(shù)的支持下，一個交換機(jī)的新時代正在來臨!這對于光電共封技術(shù)來說是一個很大的進(jìn)步，也足以表明利用光來移動數(shù)據(jù)的前景確實(shí)是光明的。

　　這個賽道也成為了芯片巨頭的新戰(zhàn)場。

　　光電共封迎來大的推動力

　　這一波的光電共封器件很大的推動者是數(shù)據(jù)中心的公有云供應(yīng)商，隨著AI/ML(人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí))、高分辨率視頻流和虛擬現(xiàn)實(shí)等更高帶寬應(yīng)用的出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)流量持續(xù)增長，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)承受的壓力也在不斷增加，諸如谷歌、Meta、亞馬遜、微軟或阿里巴巴等，他們每家都部署了數(shù)萬臺交換機(jī)，而且正在推動數(shù)據(jù)速率從100GbE向400GbE和800GbE更高速的數(shù)據(jù)鏈路的方向發(fā)展，這將消耗更多的電力來通過銅纜傳輸數(shù)據(jù)。

　　作為交換機(jī)的大腦——交換機(jī)芯片，在過去多年來主要有兩大長期發(fā)展趨勢：

　　一，大約每兩年一次，交換機(jī)芯片的帶寬會翻一番，這也很好的遵循了摩爾定律。

　　二，為了支持總交換機(jī)芯片帶寬的增加，Serdes的速度、數(shù)量和功率也在隨之增加，SerDes的速度從10 Gbit/sec增加到112 Gbit/sec，芯片周圍的SerDes數(shù)量從64通道增加到51.2 Tbps一代的512通道。SerDes功率成為系統(tǒng)總功率的很大一部分。

　　當(dāng)下交換機(jī)之間所采用的方案大都是可插拔的光學(xué)器件，雖然可以很容易地更換或換成更高容量的，但這也意味著在交換機(jī)芯片和光學(xué)器件接口之間有幾英寸的銅，而且由于所需的電氣和光學(xué)密度、熱問題和功耗，當(dāng)前可插拔光學(xué)器件也面臨著容量難擴(kuò)展的制約。于是，業(yè)界開始探索提高數(shù)據(jù)中心效率的新方法，光電共封(CPO)成為一個有利的選擇!

　　光電共封裝(Co-Packaged Optics，簡稱CPO)是一種新型的光電子集成技術(shù)，它將光學(xué)器件(如激光器、調(diào)制器、光接收器等)封裝在芯片級別上，直接與芯片內(nèi)的電路相集成，借助光互連以提高通信系統(tǒng)的性能和功率效率。共同封裝光學(xué)器件的一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新是將光學(xué)器件移動到離 Switch ASIC 裸片足夠近的位置，以便移除這個額外的DSP(見下圖)。借助CPO，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)系統(tǒng)中的光接口從交換機(jī)外殼前端的可插拔模塊轉(zhuǎn)變?yōu)榕c交換機(jī)芯片組裝在同一封裝中的光模塊。

　　基于這種封裝模式，光電共封(CPO)技術(shù)的優(yōu)勢盡顯：

　　增強(qiáng)性能： CPO可以將光學(xué)元件直接嵌入芯片中，使得光學(xué)元件與芯片內(nèi)部電路的距離更近，減小了電信號的延遲和失真，提高了通信系統(tǒng)的性能。

　　節(jié)省空間： CPO可以大大減小光模塊的尺寸，尤其是在高密度數(shù)據(jù)中心環(huán)境下，可以將更多的端口裝在相同大小的機(jī)柜中。

　　降低功耗： CPO可以減少能量轉(zhuǎn)換的步驟，從而降低了功耗。與傳統(tǒng)的光模塊相比，CPO在相同數(shù)據(jù)傳輸速率下可以減少約50%的功耗。

　　提高可靠性： CPO可以提高光學(xué)和電子之間的互聯(lián)可靠性，并減少外部干擾。同時，由于CPO是在芯片級別上封裝的，所以也能夠提高整個系統(tǒng)的可靠性。

　　降低成本： CPO可以減少芯片與光模塊之間的連接器數(shù)量，從而降低了生產(chǎn)成本。此外，CPO的小尺寸和低功耗也能夠降低運(yùn)營成本。

　　正因?yàn)榇耍沟迷絹碓蕉嗟男酒瑥S商、光通信廠商和研究機(jī)構(gòu)都在積極研究和使用光電共封技術(shù)。

　　CPO的商業(yè)化雛形，在交換機(jī)市場中顯現(xiàn)

　　博通

　　博通(Broadcom)涉足光電領(lǐng)域大約在1990年，1995年，Broadcom推出了其第一款光電收發(fā)器，這是該公司進(jìn)入光電領(lǐng)域的開端。此后博通進(jìn)行了一系列收購，1998年收購了光通信設(shè)備制造商Epigram;2000年，Broadcom收購了另一家光通信設(shè)備制造商Luminent;2016年，Broadcom收購了從事光電器件和模塊研發(fā)的BroadLight。

　　可以說，通過不斷收購，高通進(jìn)一步加強(qiáng)了其在光電領(lǐng)域的研發(fā)能力，博通也開發(fā)出了電子、光學(xué)和創(chuàng)新封裝架構(gòu) (SCIP™) 。養(yǎng)兵千日，如今，博通正將其在光電領(lǐng)域的技術(shù)積累應(yīng)用到交換機(jī)產(chǎn)品中。

　　博通在2023年光纖通信會議(OFC) 上談到了其最新的交換機(jī)產(chǎn)品——Broadcom Tomahawk StrataXGS 5，它在單個單片芯片中提供 51.2 Tbps 的以太網(wǎng)交換容量。如下圖所示，該交換機(jī)值得一提的地方是，Tomahawk 5采用了光電共封裝的技術(shù)，它將交換機(jī)芯片和100G PAM4接口共同封裝在一起，這種新芯片能夠減少將信號驅(qū)動到交換機(jī)前端的可插拔光學(xué)器件的需求，大大降低了功耗。相比于Tomahawk 4 Humboldt 25.6T  6.4W的功率，該交換機(jī)僅需要5.5W的功率為800Gbps的流量供電。博通稱，由于采用了光電共封(CPO)的光學(xué)技術(shù)，該芯片能將光學(xué)連接所需的功率降低50%以上。

　　51.2Tbps交換機(jī)中有一個新的交換芯片，這是一款5nm工藝的單片芯片，它搭載了六個Arm處理器核心，交換機(jī)上還支持VxLAN單通道以及PTP和SyncE等特性，可提供多達(dá)64個800GbE、128個400GbE、256個200GbE或512個100GbE鏈路。實(shí)際上，這些交換芯片是為了100GbE以上速率的交換機(jī)而設(shè)計的。博通表示，一臺新的Tomahawk 5交換機(jī)可以有效地取代48臺2014年代的Tomahawk 1交換機(jī)。

　　除了交換機(jī)芯片之外，博通還有光電共封的收發(fā)器產(chǎn)品。它也采用了博通的硅光子芯片封裝 (SCIP™) 技術(shù)。

博通的光電共封收發(fā)器

（圖源：博通）

　　Marvell

　　Marvell Teralynx 10交換機(jī)是另一款專為800GbE時代設(shè)計的51.2T交換機(jī)，該交換機(jī)由Marvell的Teralynx 10 51.2 Tbps交換芯片和 PAM4 1.6 Tbps 光電平臺 Nova組成。Teralynx 品牌來自Marvell-Innovium的收購。

　　Marvell Teralynx 10芯片跟博通的一樣，也是一款可編程5nm單片交換機(jī)芯片，具有512個112G SerDes，能滿足32 x 1.6T、64 x 800G和128 x 400G廣泛的交換機(jī)配置。按照Marvell的說法，一個Teralynx 10取代了12個12.8 Tbps一代，而且在同等容量下能減少80%的功耗。

（圖源：Marvell）

　　Teralynx 10使用了Teralynx 獨(dú)有的通用超低延遲開關(guān)和緩沖結(jié)構(gòu),還支持擁塞感知路由和實(shí)時流遙測，使網(wǎng)絡(luò)能夠自動調(diào)整和自我修復(fù)。借助線速可編程性，可以添加新的協(xié)議和功能來滿足AI/ML不斷變化的需求。Teralynx 10 支持廣泛的實(shí)時網(wǎng)絡(luò)遙測，包括 P4 帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)遙測 (INT)。這些功能支持預(yù)測分析、更快的問題解決和更高程度的自動化。

（圖源：Marvell）

　　這款新的交換機(jī)芯片可以減少AI/ML等分布式應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)上花費(fèi)的時間，最大限度地提高計算利用率，并滿足人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)不斷增長的帶寬需求。它適用于下一代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的枝葉和主干應(yīng)用程序，以及 AI/ML 和高性能計算 (HPC) 結(jié)構(gòu)。Teralynx 10將在第二季度提供樣品。

　　思科

　　思科也在進(jìn)行光電共封技術(shù)的探索，其正在和芯片制造商Inphi之間基于CPO的交換機(jī)/光學(xué)解決方案的合作，為下一代 51.2 Tb/s交換機(jī)和800 Gb/s可插拔設(shè)備開發(fā)聯(lián)合封裝光學(xué)器件 (CPO)。

　　在本次OFC 2023上，思科也演示了CPO技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可行性具體步驟。思科指出，其Cisco 8111-32EH是一種傳統(tǒng)的32端口2x400G 1RU路由器，基于Cisco Silicon One G100 ASIC的2x400G-FR4可插拔光學(xué)模塊(64x400G FR4)。思科CPO路由器配備了完整的協(xié)同封裝的基于硅光子學(xué)的光學(xué)tiles，驅(qū)動64x400G FR4，也基于帶CPO襯底的思科Silicon One G100 ASIC。思科還發(fā)明了一種在硅光子IC上執(zhí)行此復(fù)用器/解復(fù)用器的創(chuàng)新方法。思科預(yù)計試驗(yàn)部署與 51.2Tb 交換機(jī)周期同時進(jìn)行，隨后在 101.2Tb 交換機(jī)周期內(nèi)更大規(guī)模地采用。

思科在OFC 2023 CPO演示的128x400G FR4 機(jī)箱配置（圖源：思科博客）

　　英特爾

　　在光電共封這一技術(shù)上，英特爾是資深的玩家之一。2015年宣布推出其co-package photonic技術(shù)。為了提供經(jīng)濟(jì)高效的互連解決方案，英特爾一直在增加其硅光子學(xué)的帶寬，并在不斷探索使用一體封裝的光學(xué)器件。

　　2019年，Intel收購了以太網(wǎng)交換機(jī)芯片和數(shù)據(jù)中心軟件領(lǐng)域的新興領(lǐng)軍企業(yè)Barefoot Networks，2020年3月，英特爾展示了12.8 Tb/s Barefoot Tofino 2交換機(jī)與1.6 Tb/s集成光子引擎共同封裝的方案，硅光互連平臺采用1.6 Tbps光子引擎，在Intel硅光平臺上設(shè)計和制造，可提供4個400GBase-DR4 接口。英特爾表示，使用一體封裝的光學(xué)器件，可將光學(xué)端口置于在同一封裝內(nèi)的交換機(jī)附近，從而可降低功耗，并繼續(xù)保持交換機(jī)帶寬的擴(kuò)展能力。英特爾還表示，其51.2 Tb/s解決方案應(yīng)該可以在2023年底進(jìn)行商業(yè)部署，

（圖源：英特爾）

　　CPU和GPU廠商的試煉

　　相信英特爾如此致力于硅光研究不是僅僅為了能與交換機(jī)新芯片共連，未來光學(xué)器件如果能否與CPU、GPU或XPU集成在一起也不得而知。

　　我們看到，英特爾花費(fèi)了很大的心力，從多種路徑進(jìn)行對光互聯(lián)技術(shù)的支持。2022年6月30日，英特爾研究院展示了完全集成在硅晶圓上的八波長分布式反饋(DFB)，激光器陣列，該陣列輸出功率均勻性達(dá)到+/- 0.25分貝(dB)，波長間隔均勻性到達(dá)±6.5%，這項(xiàng)最新的光電共封裝解決方案使用了密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)，展現(xiàn)了在增加帶寬的同時顯著縮小光子芯片尺寸的前景。而且更重要的是，它是在英特爾的商用300 mm混合硅光子平臺設(shè)計和制造的，因此，它為下一代光電共封裝和光互連器件的量產(chǎn)提供了一條清晰的路徑。

　　在2022年英特爾On峰會上，英特爾又展示了其正在開發(fā)的一項(xiàng)創(chuàng)新：在可插拔式光電共封裝(pluggable co-package photonics)解決方案上的突破。英特爾的研究人員設(shè)計了一種堅固的、高良率的、玻璃材質(zhì)的解決方案，它通過一個可插拔的連接器簡化了制造過程，降低了成本，為未來新的系統(tǒng)和芯片封裝架構(gòu)開啟了全新可能。

英特爾可插拔連接器

（圖源：英特爾）

　　英偉達(dá)也看中了光互連的潛力，互連的 GPU 將受益于低延遲數(shù)據(jù)傳輸和顯著減少的信號損失。Nvidia或?qū)⒃谙乱淮?NVSwitch上實(shí)施聯(lián)合封裝光學(xué)器件以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通信，這些系統(tǒng)應(yīng)該在互連的NVLink 網(wǎng)絡(luò)中支持約4,000個GPU。

英偉達(dá)展示光學(xué)鏈接GPU系統(tǒng)的外觀

（圖源：英偉達(dá)）

　　英偉達(dá)正在集各方之力推動這一技術(shù)的實(shí)施。據(jù)臺媒報道，業(yè)內(nèi)消息人士透露，臺積電參與了由Nvidia牽頭的研發(fā)項(xiàng)目，該項(xiàng)目將其稱為 COUPE(緊湊型通用光子引擎)的硅光子 (SiPh) 集成技術(shù)用于圖形硬件，以組合多個 AI GPU。

　　在2023年的OFC會上，Ayar Labs展示了業(yè)界首個4太比特/秒(Tbps)雙向波分復(fù)用(WDM)光學(xué)解決方案。而NVIDIA 的加速計算平臺正是由WDM光學(xué)互連等先進(jìn)技術(shù)支持，英偉達(dá)希望通過光互連為AI提供“下一個百萬倍”加速。Nvidia還參與了Ayar Labs去年的C輪融資，當(dāng)時它籌集1.3億美元用于開發(fā)其帶外激光器和硅光子互連。兩家公司計劃共同加速光學(xué)I/O技術(shù)的開發(fā)和采用，以支持 AI 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)量的爆炸式增長。

　　光電共封技術(shù)商業(yè)化還有諸多挑戰(zhàn)

　　但是，光電共封技術(shù)要獲得大規(guī)模的商業(yè)化還需要解決多個挑戰(zhàn)，它必須可靠、可維修、可部署、可顯著節(jié)能并且具有成本效益。雖然光互連有望讓芯片間的帶寬達(dá)到更高水平，特別是在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，但制造上的困難使其成本高昂到難以承受。

　　挑戰(zhàn)一，CPO技術(shù)嚴(yán)重依賴于硅光子學(xué)技術(shù)， 需要將光學(xué)元件小型化以適應(yīng) ASIC 封裝(體積比傳統(tǒng) QSFP-DD 或 OSFP 模塊小 100 多倍)。我們看到，專有的CPO方案首先出現(xiàn)在Broadcom、Intel、Marvell和其他一些公司，這些供應(yīng)商大多已經(jīng)收購或與創(chuàng)新的硅光子公司合作。他們在這一技術(shù)上的積累和努力，使得CPO的商業(yè)化漸漸成為可能。

　　另一方面，隨著光學(xué)和硅芯片的高度集成，新的工程能力和晶圓代工廠將是非常需要的。

　　在這方面，格芯是一個比較具有前瞻的代工廠。自從退出芯片先進(jìn)制程的追逐后，格芯一直在探索其他技術(shù)，硅光子正是格芯押注大籌碼的一項(xiàng)技術(shù)。2015 年格芯收購了IBM Microelectronics 的一部分，因此也從IBM Research 獲得了光子學(xué)專業(yè)知識和知識產(chǎn)權(quán)。2016年，格芯就推出了其第一代硅光子平臺，并在同年創(chuàng)建了一個獨(dú)立的硅光子業(yè)務(wù)。當(dāng)時帶寬的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是僅為40 GB/s。格芯打賭未來行業(yè)將不得不利用光的力量在全球各地涌現(xiàn)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和之間移動大量數(shù)據(jù)。事實(shí)證明，確實(shí)如此，如今數(shù)據(jù)中心的帶寬已來到400 GB/s和800 GB/s的數(shù)據(jù)速率。

　　GF Fotonix 是格芯為硅光子芯片打造的一個整體的平臺，這也是業(yè)界唯一的硅光子大批量 300mm CMOS制造代工廠。 根據(jù)格芯的介紹，該平臺將光子元件與高性能CMOS邏輯和RF集成在一起，以實(shí)現(xiàn)完全集成的單片電氣和光學(xué)計算和通信引擎，同時針對低信號損耗降級進(jìn)行了優(yōu)化。此外，格芯單片硅光子平臺的光輸入和光輸出可通過高密度光纖陣列、片上集成激光器和銅金屬化實(shí)現(xiàn)與其他半導(dǎo)體芯片的 2.5D 和 3D 異構(gòu)集成。

位于紐約馬耳他的Fab8是格芯GF Fotonix芯片的生產(chǎn)地

　　芯片巨頭如Broadcom、思科、Marvell和NVIDIA以及Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus 和 Xanadu 在內(nèi)的光子計算領(lǐng)域的廠商都與格芯有著密切的交流合作。此外，EDA軟件廠商Ansys、Cadence和Synopsys等也正在提供支持基于集成硅光子學(xué)的芯片和小芯片的設(shè)計工具。

　　寫在最后

　　總而言之，光電共封的解決方案確實(shí)使得新一代的交換機(jī)與前幾代相比發(fā)生了很大的突破，但是如文中所述，CPO要成為主流還有諸多因素要克服，據(jù)Yole分析師的說法，盡管CPO具有技術(shù)優(yōu)勢，但它將很難與可插拔模塊競爭，在很長一段時間內(nèi)，可插拔模塊仍將是首選。可插拔、OBO和CPO將共存一段時間。

圖源：Yole

　　現(xiàn)在，光學(xué)器件可以與以太網(wǎng)交換機(jī)芯片共同封裝，未來，它能否與CPU、GPU或XPU集成在一起也或許是一個探究方向。在摩爾定律動力不足的情況下，光電共封這項(xiàng)技術(shù)正在嶄露其潛力，從另一條新道路上來滿足當(dāng)下數(shù)據(jù)量蓬勃發(fā)展的處理需求。而且很重要的一個趨勢是，主要的芯片巨頭們都在排兵布陣，光電共封技術(shù)正在向我們走進(jìn)。