硅光子與CPO共封裝技術

  ICC訊 共封裝光學(以下簡稱CPO)，英文名為co-packaged optics或者in-package optics，僅僅從這個名字出發(fā)，感覺似乎少了點什么，光學和誰封裝在一起?其實，這個詞后面應該加幾個單詞，with eletronics或者with ASIC，這樣就比較好理解了。直白一點講，就是將光收發(fā)器/光引擎和電芯片封裝在一起，只保留光口，而不是采用可插拔光模塊的形式。而采用硅光子的CPO技術是指把硅光模塊和CMOS芯片用高級封裝的形式(例如2.5D或者3D封裝)集成在一起，從而在成本、功耗和尺寸上都進一步提升數(shù)據(jù)中心應用中的光互連技術。

  圖1：CMOS硅光子芯片

  在CPO技術興起之前，傳統(tǒng)技術是把硅光模塊和CMOS芯片獨立成兩個單獨模塊，然后在PCB板上連到一起。這么做的優(yōu)勢是設計較為模塊化，硅光模塊或者CMOS芯片其中一個出問題都可以單獨更換。但是在功耗、尺寸和成本上都較為不利。例如，由于硅光模塊的輸出是超高速數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)使用PCB板連接到CMOS芯片上會遇到較大的信號耗損，因此需要高功耗才能支持高數(shù)據(jù)率;此外，成本上要設計支持超高速信號的PCB也需要較高的開銷;而在尺寸上來說分立的硅光模組和CMOS芯片通常集成度更低，這也限制了進一步提升數(shù)據(jù)中心中的服務器密度。

  而CPO技術可以解決這些問題。當使用高級封裝技術把硅光模塊和CMOS芯片集成到同一個封裝內(nèi)之后，首先硅光模塊和CMOS芯片之間的數(shù)據(jù)連接質(zhì)量(信號耗損)相比PCB板來說要改善不少，因此能降低功耗;另一方面，在大規(guī)模量產(chǎn)之后，高級封裝也能帶來成本上的改善。最后，使用CPO之后，由于都集成在同一個封裝內(nèi)，整體系統(tǒng)的集成度大大提升，尺寸減小，因此也能提升硅光子技術在數(shù)據(jù)中心應用場景的普及。

  圖2：硅光模塊的CPO封裝

  通過 Co-packaging 的封裝方式，大體積的可插拔模塊被簡單的光纖配線架所取代，因此前面板的物理擁塞得以緩解。更重要的是，交換機和光學器件之間的電氣通道大大縮短，因此功耗得到大幅降低。根據(jù)Ayar Labs數(shù)據(jù)，如圖3，以 32×100Gbps為例，現(xiàn)在所使用的交換機功耗436W，而CPO交換機通過共同封裝大幅度縮短電連接，功耗僅230W。

  圖3：CPO交換機

  并且，CPO技術是采用硅光子實現(xiàn)光學 I/O 的第一步，采用硅光技術可以輕松突破現(xiàn)有帶寬的瓶頸，并且在核心交換設備接口方面已經(jīng)有規(guī)模化的應用。

  隨著數(shù)據(jù)中心中的CPO技術崛起。Light counting預測，與交換ASIC共同封裝的光引擎可能會為大型數(shù)據(jù)中心的可插拔光收發(fā)器提供替代方案。當網(wǎng)絡速度提高至800Gbps以上，可插拔光組件將遭遇密度和功率問題，CPO成為業(yè)界亟需的封裝替代方案。在未來，硅光子的主要技術演進將集中在更高集成度，以及和CMOS芯片的封裝上面，而先進的硅光子制造工藝以及封裝技術將會成為硅光子技術演進的核心技術支撐。