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共同封裝光學元件 co-packaged optics, CPO簡介

最近的AI真的太紅了,特別是今年2023年六月那個穿著皮衣的男人來台後更是帶起一陣炫風,也帶動了整個光通訊產業的發展與需求,共同封裝光學元件 co-packaged optics, CPO這個主題更是火熱,本篇筆者簡單來介紹一下CPO還有目前CPO的近況。



1. 爲什麼需要CPO
  • 數據要求提升,加上AI新潮流帶動整體光通訊的需求。頻寬要求更高,延遲更慢。

  • 光通訊每兩年數據就提升一倍,過去12年間總頻寬上升12倍,但功耗也上升了22倍。其中光模塊的部分為26倍。過大的功耗就需要更多的電力做散熱,造成整體數據中心成本提高,另外功耗造成的熱對於光電主動元件(特別是雷射)也是非常的不友善。



  • 傳統ASIC到光模塊電信號損失過大。現有傳統結構在頻寬上的限制與信號的損耗主要來源還是在ASIC到光模塊這段的損耗,在高頻寬的要求下,每一段的電信號走線或是接點都的損耗對於整個信號的品質都有非常巨大的影響。頻寬越高,電信號損耗越大,無論是ASIC或是光電轉換的模組都需要更強大的IC與電源做驅動補償電信號的損失。


CPO要解決的是從結構下手,需要大幅減少電信號走線,才有機會進一步提升數據量。換個說法就是光要更靠近ASIC。下左圖是從過去銅線到未來3D封裝CPO的Roadmap。過去傳統銅線傳遞完全依賴電信號傳遞,到了光通訊則是將模塊取代為光模塊,因此光來到了交換機口,接下還開始有了on-board optics的概念到CPO,可以看到光信號直接移到交換機內,到了3D CPO則是希望ASIC電信號在晶片內就直接轉成光信號輸出。



2. CPO的根本技術
CPO最重要的概念就是
  1. 光電轉換要微小化,才能放進Switch中,並且增加密度

  2. 光電轉換要越靠近ASIC越好,減少電信號的損耗

這樣的概念讓矽光子的技術有了更好地實現機會。在過去20年,矽光子一直都是被認為是突破莫爾定律的唯一解,各研究單位或是公司也都注入了很多資源做研究開發。但在實際產品化上一直沒有更大的進展,直到了幾年前intel實現了該技術應用於光通訊模組上,接著又有更多公司開始投入,才慢慢開始標準化。


矽光子技術簡單的說就是用矽製程將光信號所需要的主被動元件整合在矽晶片中,運用半導體製程積體化所有的元件,因此這樣的方法有機會縮短光信號與IC的距離,提升傳輸數率,也因為積體化所以也能降低功耗。製造上更可以基於現在非常成熟的半導體製程完成。

該製程基本上就是和IC製程是一樣的,因此在大量生產的條件下有較佳的成本優勢。也因為高度的集成理論上有很好的可靠度表現。


近幾年有越來越多的廠商投入矽光子,慢慢的從設計、晶片、磊晶、製造、封裝到系統整個供應鏈也日益成熟,因此這樣供應鏈的成熟也是CPO概念能提出的關鍵因素。




3. CPO近況與的挑戰
  • 雷射積體化

矽光子實現CPO的最重要的關鍵是如何將雷射積體化。爲什麼雷射積體話是重要的關鍵呢,除了雷射光源是光信號的源頭,同時也在光通訊模組上被認為是決定模組優劣的最大關鍵外。矽本身不發光,需仰賴III-V族材料作為發光體,但矽與III-V族製程並不匹配。


INTEL成功克服矽與III-V族製程不匹配的問題,成功應用異質整合技術實現全積體化晶片。當然全積體化並非唯一解,關於矽光子更細節的技術就等筆者另外寫一篇吧。



INTEL除了已經將矽光子成功實現在傳統光模塊上之外,也用矽光子技術實現第一個12.8T的交換機,主要就是用含有16個雷射,單一頻寬106 Gbps的模組所組成。下圖中可以看到交換機外部的接頭已經改成光接頭而非傳傳統的光模塊,光接頭的尺寸更小更可以有效利用交換機的空間。



交換機內的走線也不再是PCB本身而改成了光纖,在這麼短的距離下光纖的損耗非常的小,也可以做適當的彎曲routing。這樣的技術下所有的光電轉換的關鍵都集中在交換機的中間。可能有雷射損壞後的維修,與熱源過度集中影響雷射表現的缺點。


另一種的方案叫外置型雷射光源的方案是這幾年很熱話題,像是Rockley,Cisco,Broadcom都採用這樣的方案。



概念就是把雷射光源單獨拉出,可以做成單獨雷射光的光模塊一樣插在交換機的外部,將雷射光源透過光纖到入到中央的晶片做信號處理,再透過光纖將處理後的信號送出。




這樣的結構的好處是

1. 外置雷射光源的光模塊可以技術延續現有光模塊的技術和供應鏈。



2. 若是雷射光源損壞可以單獨抽換光模塊進行維修。

3. 避免了矽光子最大的挑戰:積體化的雷射,讓矽光子晶片走完全標準的矽製程,這樣的製程在foundry的選擇上更多。

4. 雷射光源最怕熱,可以單獨做熱管理。

5. 缺點是在空間上需要讓出空間給光模塊,而且需要多做一次光纖的傳遞。


在今年2023年OFC展會上CISCO展示了51.2T的交換機,若採用CPO方案在功耗上可以降低約25-30%


  • CPO雷射整合方案比較



  • 全積體化雷射

    • 特性:全積體化晶片方案

    • 優點:全積體化,在價格上有絕對優勢,光學損耗也較小

    • 缺點:因為全積體化,熱源全部集中於ASIC附近,若有後續維修或是損壞問題,無法像現在模塊的形式直接抽換。

    • 主推廠商:INTEL


  • 外置型雷射 (ELS)

    • 特性:將最怕熱最關鍵的雷射單獨模組化

    • 優點:維修容易,熱密度較低。

    • 缺點:光學損耗較大,需要讓出空間給雷射模組

    • 主推廠商:CISCO,Broadcom,Furukawa


  • 供應鏈的改變

除了雷射之外筆者認為另一大挑戰是供應鏈的改變。CPO的技術談論了很多年,供應鏈上也和傳統光模塊不一樣。傳統供應鏈可能是使用者拿ODM/OEM提供的交換機,然後跟模塊廠光纖廠拿光模塊和光纖,組成數據中心。但CPO需要仰賴矽光子的技術供應鏈,我認為OEM/ODM的角色會更加吃重,需要將PIC和EIP做封裝整合,並且可能要做半成品的光電測試。甚至要跨入矽光子生態鏈。在這樣個改變中筆者也觀察到各大系統廠也慢慢逐步挖角原光模塊廠商的人才進行CPO的研究開發。



結語:
為了解決數據頻寬上升帶來的功耗問題,CPO可能是解決根本問題的最佳解,但CPO本身仍舊有需多問題與挑戰需要克服,同時也需要足夠的需求量讓矽光子晶片的價格優勢更明顯。而從矽光子技術本身來看,仍有需多問題需要克服,包含整個生態系、量產測試等。相信科技的力量與AI的需求可以讓CPO的進程快一些,但真的還需要時間。

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