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简介

数据中心和高性能计算系统对更多带宽的无限需求推动了对更快、更高效光互连技术的需求。虽然可插拔光收发器多年来一直是行业标准，但一种名为 “光电共封装器件（CPO）”的新方法日益受到重视，实现更高的密度、更低的功耗和更好的热管理。感谢LightCounting提供的文件 [1]，我们将基于其内容将探讨 CPO 的概念、潜在优势以及该领域正在进行的研发工作。

什么是嵌入式光学模块（EOM）？

在深入探讨 CPO 之前，有必要了解一下嵌入式光学模块（EOM）的概念。EOM 是多通道光收发器技术的一种实现方式，采用可安装在电路板上的形式，而不是通常的前面板可插拔形式。EOM 与印刷电路板的电气连接方式多种多样，如 BGA/LGA 电气插座、直接回流焊安装、可分离式光学连接器或永久性光尾纤。

在带宽 * 距离乘积超过铜缆实际覆盖范围的情况下，EOM 主要用作系统内互连。一般的经验法则是，当数据传输速率超过 100Gb/s * 米时，光学器件就会变得更有优势。此外，EOM 还可应用于对信号密度要求较高的场合，如使用光学器件。图 1 显示了不同制造商的各种 EOM 设计。

图 1：各种 EOM

EOM 的潜在优势

在过去的二十年中，EOM 在各种应用中提供了一些优于其他解决方案的潜在优势：

1.减少芯片到模块互连的挑战：

通过将电气-光学转换置于更靠近源（ASIC 或 FPGA）的位置，EOM 有可能简化接口、降低均衡要求，并在某些情况下消除对重新定时或前向纠错 （FEC） 的需求。

2.降低功耗：

一般认为，使用 EOM 可以使光学器件更接近驱动 ASIC，从而降低功耗。然而，在实际应用中，这一优势仅以有限的方式实现，而且数据传输速率仅为 25Gb/s 或更低。

3.热管理：

与可插拔模块相比，EOM 可释放前面板空间，从而改善气流和使用较高的散热片，有助于热管理。

4.面板或背板密度：

根据系统设计，EOM 可显著提高密度。例如，Oracle IS2-254 全光 InfiniBand 中枢交换机（图 2）在 2RU 机架空间内实现了 240 个 100G InfiniBand EDR 端口，其方法是围绕极高的密度设计完整的架构，而不是简单地用 EOM 取代可插拔光学器件。

图 2：IS2-254 全光 InfiniBand 支线交换机

什么是近封装光学器件 （NPO）？

近封装光学（NPO）是基于可插拔光学引擎的新方法，每个引擎可提供 3.2Tbps 的连接能力。光网络论坛（OIF）在定义光引擎和支持光引擎的外部激光器的规范方面发挥了领导作用。图 3 展示了一种 NPO 设计。

图 3：近封装光学设计

虽然 NPO 似乎分散了 CPO 的注意力，但对于供应商来说，学习如何制造光芯片并在云数据中心测试其产品非常重要。到目前为止，NPO 相关活动的主要成果是 OIF 开发的外部激光器实施协议，该协议可同时用于 NPO 和 CPO。

什么是光电共封装器件（CPO）？

共同封装光学器件 （CPO） 是指将光学器件和 ASIC 集成在同一基板上，通常称为 2.5D 集成。共同封装的概念并非全新；2010 年左右，IBM 在 Power 775 超级计算机的玻璃陶瓷一级封装上成功实现了 EOM 与 ASIC 的共同封装（图 6 和图 7）。

图 4：IBM Power 775 超级计算机： 首次大规模使用 EOM

图 5：约 2010 年的 IBM Power 775 共封装节点组件

ARPA-e ENLITENED 计划和 DARPA PIPES 计划

美国政府认识到高能效光互连的重要性，资助了多项研发计划，以加快该领域的进展。ARPA-e ENLITENED（高能效光波集成技术）计划旨在通过部署新的光子网络拓扑结构，在 10 年内将数据中心的能效提高一倍。

ENLITENED 计划的项目之一是 IBM 的 “集成在节点上的多波长光收发器”（MOTION），其重点是提高 VCSEL、探测器和相关电路的运行速度，同时开发在集成电路上安装光互连的封装解决方案。MOTION VCSEL 收发器的概念如图 6 所示，其光纤尾纤可从收发器封装中断开，以实现可维护性和可配置性。

图 6：ARPA-e 项目 MOTION 收发器封装

与此同时，DARPA 的 “极致可扩展性封装中的光电子技术”（PIPES）计划目的在开发超高密度芯片级互连器件。英特尔公司和 Ayar 实验室的研究人员利用 Ayar 实验室的 TeraPHY 光 I/O 芯片（图 7），成功演示了用高效的光信号接口取代 FPGA 上传统的电气输入/输出 （I/O）。

图 7：Ayar Labs 的 TeraPHY

Broadcom 的 CPO 计划

Broadcom 是领先的网络和通信解决方案供应商，一直在积极实施 CPO 路线图。2021 年 1 月，该公司披露了配备协同封装光学器件的下一代交换 ASIC 阵容（图 8）。

图 8：博通在 2021 年初发布的产品

在 2022 年 OFC 大会上，博通公司现场演示了 25T ASIC，其中一半端口采用直驱 CPO，其余端口采用铜缆。2022 年 8 月，腾讯宣布成为 25T/CPO 交换机的首家客户，并在 2022 年 10 月的 OCP 峰会上进行了现场演示，展示了四路光引擎（每路 3.2T）支持一半输出端口（16x400G）的设计，而其余 16 个 400G 端口则设计为可插拔铜缆连接。

Broadcom 的 CPO 实施通过利用直接驱动、无 DSP 光学引擎和使用外部激光器，显著降低了功耗。如图 9 所示，在 51.2T Bailly 产品中，直接驱动方法将功耗降低了近 50%，而使用外部激光器则可额外节省 10%的功耗。

图 9：采用 CPO 的 Broadcom 开关 ASIC，实现了更低的功耗。

在 2023 年 10 月举行的 OCP 峰会上，Micas Networks 展示了在 4U 机箱中使用 Bailly 的全功能 51.2T 交换机，配有 128x400G-FR4 光端口和 16x 远程激光模块，系统总功耗约为 1，300 瓦。

结论

光电共封装器件（CPO）代表着光互连技术向前迈出的重要一步，实现更高的密度、更低的功耗和更好的热管理。CPO 的概念建立在嵌入式光学模块（EOM）和近封装光学器件（NPO）的基础之上，使光学器件更加接近 ASIC，实现了直接驱动、无 DSP 光学引

正在进行的研发工作，如 ARPA-e ENLITENED 计划和 DARPA 的 PIPES 计划，正在推动 CPO 技术的进一步发展。博通（Broadcom）、腾讯（Tencent）和 Micas Networks 等公司已经展示了 CPO 在高性能交换应用中的能力，凸显了在数据中心和其他高带宽系统中广泛采用 CPO 的潜力。

随着对更多数据和更快通信的需求不断增长，CPO 已成为满足下一代网络挑战性要求的一种前景广阔的解决方案。通过将光学器件和 ASIC 封装在同一基板上，CPO 具有以下几个主要优势：

虽然 CPO 仍处于早期应用阶段，但业界正在积极应对各种挑战并制定标准。光网络论坛（OIF）在定义光引擎和外部激光器规范方面发挥了领导作用，促进了 CPO 解决方案的开发和互操作性。

随着技术的成熟和采用率的提高，预计 CPO 将在实现下一代数据中心、高性能计算系统和其他要求高带宽和高密度连接的应用所需的高性能、高能效和可扩展光互连方面发挥重要作用。

总之，共封装光学技术代表了光互连技术的范式转变，为满足日益增长的带宽、密度和能效需求提供了一种前景广阔的解决方案。随着研究、开发和行业合作的不断深入，CPO 将彻底改变设计和实施高速光互连的方式，推动更高效、更强大的数据通信系统。

参考资料

光电共封装 - 简介，LightCounting，2023 年。[在线]。网址：www.lightcounting.com