光電共封成為芯片巨頭新戰(zhàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還需面臨諸多挑戰(zhàn)
Broadcom 正在計(jì)劃推出共同封裝的光學(xué)器件。其中包括速度為 51.2Tbps 的新型 Broadcom Tomahawk 5 Bailly 芯片。由于需要降低數(shù)據(jù)中心內(nèi)的比特/焦耳成本，同時(shí)提高速度和可靠性，共同封裝的光開關(guān)被視為潛在的階躍函數(shù)創(chuàng)新。這就是 Broadcom 的項(xiàng)目如此令人興奮的原因。
這是OFC 2023發(fā)布的新型共封裝光學(xué)芯片。這是一塊Broadcom Tomahawk 5 51.2Tbps 交換芯片，板載八個(gè) 64 通道硅光子引擎。
這種新芯片能夠以 5.5W 的功率為 800Gbps 的流量供電，減少了將信號(hào)驅(qū)動(dòng)到交換機(jī)前端的可插拔光學(xué)器件的需要。對(duì)于某些參考框架，Tomahawk 4 Humboldt 25.6T 聯(lián)合封裝光學(xué)平臺(tái)對(duì)于 800Gbps 鏈路的功率約為 6.4W。
我們?cè)?2022 年 OCP 峰會(huì)上看到了 Broadcom Tomahawk 5。這里的主要進(jìn)步是共同封裝光學(xué)器件。移除可插拔光學(xué)器件的主要挑戰(zhàn)之一是現(xiàn)狀易于維護(hù)和改變。例如，如果需要更長(zhǎng)的鏈路，可以插入更長(zhǎng)距離的光學(xué)器件。對(duì)于較短距離的運(yùn)行，可以使用DAC或AOC 。
我們已經(jīng)看到英特爾和 AMD 等公司討論了未來在芯片上共同封裝光學(xué)器件的需求。
同時(shí)，這個(gè)賽道也成為了芯片巨頭的新戰(zhàn)場(chǎng)。
01
什么是光電共封（CPO）？
CPO，英文全稱 Co-packaged optics，共封裝光學(xué)/光電共封裝。CPO是將交換芯片和光引擎共同裝配在同一個(gè)Socketed（插槽）上，形成芯片和模組的共封裝。
NPO / CPO 是將網(wǎng)絡(luò)交換芯片和光引擎（光模塊）進(jìn)行“封裝”的技術(shù)。
傳統(tǒng)的連接方式，叫做 Pluggable（可插拔）。光引擎是可插拔的光模塊。光纖過來以后，插在光模塊上，然后通過 SerDes 通道，送到網(wǎng)絡(luò)交換芯片（AISC）。
CPO 呢，是將交換芯片和光引擎共同裝配在同一個(gè) Socketed（插槽）上，形成芯片和模組的共封裝。
NPo 是將光引擎與交換芯片分開，裝配在同一塊 PCB 基板上。
CPO 是終極形態(tài)，NPO 是過渡階段。NPO 更容易實(shí)現(xiàn)，也更具開放性。
隨著產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型不斷深入，算力應(yīng)用需求呈現(xiàn)出超大帶寬、低時(shí)延、靈活連接、低能耗等特征，光通信網(wǎng)絡(luò)將聚焦超大容量傳輸、全光組網(wǎng)、開放自智、光子集成等熱點(diǎn)技術(shù)革新發(fā)展，協(xié)同增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)力，助力數(shù)字經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展。
隨著5G時(shí)代高帶寬的計(jì)算、傳輸、存儲(chǔ)的要求，以及硅光技術(shù)的成熟，板上和板間也進(jìn)入了光互連時(shí)代，通道數(shù)也大幅增加，封裝上要將光芯片或光模塊與ASIC控制芯片封裝在一起，以提高互連密度，從而提出了光電共封裝的相關(guān)概念。
02
光電共封迎來大的推動(dòng)力
這一波的光電共封器件很大的推動(dòng)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(zhǎng)，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(tái)交換機(jī)，而且正在推動(dòng)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(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)：
一，大約每?jī)赡暌淮危粨Q機(jī)芯片的帶寬會(huì)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(gè)有利的選擇！
光電共封裝（Co-Packaged Optics，簡(jiǎn)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(jí)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(dòng)到離 Switch ASIC 裸片足夠近的位置，以便移除這個(gè)額外的DSP。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(shì)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(hào)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(shí)，由于CPO是在芯片級(jí)別上封裝的，所以也能夠提高整個(gè)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(yíng)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)。
03
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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(tái)設(shè)計(jì)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(huì)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(jì)了一種堅(jiān)固的、高良率的、玻璃材質(zhì)的解決方案，它通過一個(gè)可插拔的連接器簡(jiǎn)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
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(hào)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(gè)GPU。
英偉達(dá)正在集各方之力推動(dòng)這一技術(shù)的實(shí)施。據(jù)臺(tái)媒報(bào)道，業(yè)內(nèi)消息人士透露，臺(tái)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(gè) AI GPU。
在2023年的OFC會(huì)上，Ayar Labs展示了業(yè)界首個(gè)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(jì)算平臺(tái)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(gè)百萬倍”加速。Nvidia還參與了Ayar Labs去年的C輪融資，當(dāng)時(shí)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(jì)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(zhǎng)。
04
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(gè)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?cè)谶@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(gè)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(shí)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)。2016年，格芯就推出了其第一代硅光子平臺(tái)，并在同年創(chuàng)建了一個(gè)獨(dú)立的硅光子業(yè)務(wù)。當(dāng)時(shí)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(dòng)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(gè)整體的平臺(tái)，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(tái)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(jì)算和通信引擎，同時(shí)針對(duì)低信號(hào)損耗降級(jí)進(jìn)行了優(yōu)化。此外，格芯單片硅光子平臺(tái)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。
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(jì)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(jì)工具。
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(shì)，但它將很難與可插拔模塊競(jìng)爭(zhēng)，在很長(zhǎng)一段時(shí)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(shí)間。
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(gè)探究方向。在摩爾定律動(dòng)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(gè)趨勢(shì)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)。
