简介
数据中心、云计算和人工智能的快速发展对高性能计算和数据通信的需求与日俱增。协同封装光学（CPO）技术和 GPU 互连已成为满足这一需求的关键解决方案。本文将探讨 CPO 配置技术、GPU 互联技术、行业领导者的案例研究、激光源的各种应用以及光电产品设计自动化的统一工作流程。
CPO 配置技术
CPO 技术将光电子和电子元件集成到单个封装中，实现了更紧凑、更低功耗和更低延迟的数据传输。CPO 交换机是这一技术的主要应用，通常由交换机 ASIC、多个 CPO 模块、外部激光源 （ELS） 模块、基板和光纤组成。CPO 模块集成了硅基光电子集成电路 （PIC） 和电子集成电路 （EIC），是实现高带宽光通信的关键。
目前，主要芯片制造商都已发布了支持 CPO 的 51.2Tbps 以太网交换机芯片，如 Broadcom 的 Tomahawk 5、NVIDIA 的 Bally、Marvell 的 Jericho3-AI、Cisco 的 Spectrum 4 和 Teralynx 10。这些芯片支持各种 I/O 配置，包括可插拔收发器和 CPO 模块。
GPU 互连技术
GPU 链路是 CPO 技术的另一种应用场景，可实现 GPU 和交换机之间的连接。在 GPU 机架中，每个 GPU 卡都包含一个 CPO 模块，通过 MTP 连接器与交换卡建立光互连。交换机芯片周围的交换机卡集成了多个 CPO 模块。这种架构单层 GPU 机架的数据传输速率可达 86.4Tbps，单层交换机机架的数据传输速率可达 259.2Tbps。
行业领先者的案例研究
台积电展示了基于基板上芯片（CoWoS）封装技术的 CPO 模块，而博通则采用了 SiPh Chiplet Integration Package（SCIP）方法。Marvell 则选择了 2.5D 集成技术。思科的 Silicon One 系列交换芯片同时支持可插拔收发器和 CPO 技术。此外，Fabrinet（前 Raysung Photonics）已成功开发出 6.4Tbps CPO 模块，并在 OFC 2024 上进行了展示。
激光源的多样化应用
1.集成激光源 （ILS）： 单片光学解决方案
集成激光源 （ILS） 是指将激光源与 PIC 集成在同一封装上，形成单一封装解决方案。英特尔、Marvell 和 Broadcom 等公司已经推出了具有 ILS 功能的 PIC。ILS 技术的优点是封装更紧凑、功耗更低，缺点是制造工艺复杂、成本较高。
2.外部激光源 （ELS）： 片外器件的优势和应用
外部激光源 （ELS） 将激光源与 PIC 分离成一个独立模块。虽然这种配置占用的空间更大，但其优点是制造工艺更简单、成本更低。Furukawa 和 Ragile 等公司已经采用了 ELS 技术。
典型的案例研究包括：英特尔采用湿法蚀刻 V 形槽实现光纤与 PIC 之间的边缘耦合；Marvell 利用 III-V 族化合物半导体工艺实现激光源与硅激光腔之间的垂直耦合；Broadcom 结合了边缘耦合与垂直耦合的优势。
光电产品设计自动化的统一工作流程
1.PIC Studio/PIC Studio Plus：
PIC Studio/PIC Studio Plus 是电子光子设计自动化 （EPDA） 解决方案，涵盖从元件到系统的整个设计流程。
PIC Studio 提供集成电路/布局环境，支持参数驱动的光波导布线布局、自动布线、电路金属布线/光电协同仿真等。PIC Studio Plus 增强了系统级仿真功能，支持 DSP 算法、光纤模型、TDECQ 分析等。
2.用于高速光互连和光 I/O 设计的集成激光源模型：
PIC Studio/PIC Studio Plus 还为激光源提供了紧凑型模型，支持 VCSEL 和 DFB 激光器等常见激光器类型，使其适用于高速光互连和光 I/O 设计流程。
未来展望： 紧凑型激光源模型的创新
1.逼真的激光源紧凑型模型库
逼真的激光源紧凑型模型库以实际产品的特性为基础，为光电集成设计提供可靠的仿真支持。
2.丰富激光源紧凑型模型
不断丰富和扩大紧凑型激光源模型的应用范围，将促进新型激光源在光电集成领域的广泛应用。激光源模型的创新将推动光电集成设计的快速发展。
展望未来，对高性能计算和数据通信的需求将持续增长。CPO 技术和 GPU 链接，以及激光源技术和设计自动化工作流程的进步，将在满足这些需求方面发挥关键作用。通过利用这些技术，数据通信行业将迎来能力和效率的新时代。
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