光電共封成為芯片巨頭新戰(zhàn)場，實現(xiàn)商業(yè)化還需面臨諸多挑戰(zhàn)
Broadcom 正在計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 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，減少了將信號驅(qū)動到交換機前端的可插拔光學(xué)器件的需要。對于某些參考框架，Tomahawk 4 Humboldt 25.6T 聯(lián)合封裝光學(xué)平臺對于 800Gbps 鏈路的功率約為 6.4W。
我們在 2022 年 OCP 峰會上看到了 Broadcom Tomahawk 5。這里的主要進步是共同封裝光學(xué)器件。移除可插拔光學(xué)器件的主要挑戰(zhàn)之一是現(xiàn)狀易于維護和改變。例如，如果需要更長的鏈路，可以插入更長距離的光學(xué)器件。對于較短距離的運行，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，這個賽道也成為了芯片巨頭的新戰(zhàn)場。
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 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、光子集成等熱點技術(shù)革新發(fā)展，協(xié)同增強網(wǎng)絡(luò)運力，助力數(shù)字經(jīng)濟加速發(fā)展。
隨著5G時代高帶寬的計算、傳輸、存儲的要求，以及硅光技術(shù)的成熟，板上和板間也進入了光互連時代，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/機器學(xué)習(xí)）、高分辨率視頻流和虛擬現(xiàn)實等更高帶寬應(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，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)。
作為交換機的大腦——交換機芯片，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。借助CPO，網(wǎng)絡(luò)交換機系統(tǒng)中的光接口從交換機外殼前端的可插拔模塊轉(zhuǎn)變?yōu)榕c交換機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營成本。
正因為此，使得越來越多的芯片廠商、光通信廠商和研究機構(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，英特爾花費了很大的心力，從多種路徑進行對光互聯(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
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上實施聯(lián)合封裝光學(xué)器件以實現(xiàn)節(jié)點間通信，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)正在集各方之力推動這一技術(shù)的實施。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)項目，該項目將其稱為 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 和機器學(xué)習(xí) (ML) 應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)量的爆炸式增長。
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)。事實證明，確實如此，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。
最后
總而言之，光電共封的解決方案確實使得新一代的交換機與前幾代相比發(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。
現(xiàn)在，光學(xué)器件可以與以太網(wǎng)交換機芯片共同封裝，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。
