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產業脈動|CPO 賦能矽光子,開創高速傳輸新紀元

作者 張筠苡

刊登日期:2024/09/02

前言

為迎接5G時代的來臨,市場對高頻寬運算、傳輸和儲存的需求迅速成長,此現象在AI及HPC應用的推動下尤為明顯。隨著資料傳輸量的顯著提升,電子訊號傳輸的損失問題變得愈發顯著,引發的熱管理與功耗挑戰亟待解決,因此產業界試圖以光子取代電子,作為數據傳輸的媒介。

矽光子技術利用CMOS技術在矽晶片上整合光電通訊模組,透過光訊號傳輸和電訊號運算,提供更佳解方。然而,由於其過程中涉及多種光電訊號的轉換,並且需要將這些技術縮小至積體電路的維度上,技術門檻相當高。

在此背景下,共封裝光學技術應運而生,成為實現矽光子電光互連的重要過渡階段。CPO技術的核心在於將先進光學元件(又稱光引擎)與矽基元件(通常是ASIC)整合在單一封裝基板上,旨在應對未來頻寬和能耗的挑戰。這一創新技術整合光纖、數位訊號處理(DSP)、交換器ASIC以及尖端的封裝和測試技術,為資料中心和雲端基礎設施帶來突破性的系統價值。

由於CPO技術將光電元件置於相同的封裝中,減少訊號傳輸距離和相關損耗下,可提升整體性能和能效。傳統的電子訊號傳輸方式存在固有的限制,在高頻寬和長距離傳輸時,損耗和延遲問題尤為突出。而CPO技術的出現,將有效克服這些瓶頸,利用光訊號在長距離傳輸中的低損耗特性,大幅提升系統的傳輸效率。此外,CPO技術亦具有高度的可擴展性和靈活性,能夠滿足未來不同應用場景的需求。從大型資料中心到分散的雲端基礎設施,CPO技術皆能提供高效且穩定的解決方案。而靈活性源自於CPO技術在設計和製造上的優勢,使其能夠快速適應不斷變化的市場需求。

CPO作為新一代光電互連的核心技術,預計將在未來幾年內迎來快速成長,成為推動半導體創新與發展的關鍵驅動力。

CPO技術關鍵議題

1. CPO架構演進實現最佳電光整合

CPO 將光通訊模組從PCB搬到同一個封裝基板上,與光交換晶片透過先進封裝技術整合在一起,減少電子訊號連接距離和延遲,並減輕訊號損失的問題,從而顯著提升傳輸效能。

(1)可插拔光學(Pluggable Optics)

然而,CPO的最終型態無法一步到位,從2000年至今,可插拔光學為市場中光電訊號轉換的主流元件,已進入量產階段。其結構設計簡單,類似於USB介面,外接兩條光纖分別用於發射和接收光訊號,並且靈活性高,易於升級和維護,能適應不同的網路需求。插拔式光收發模組主要透過 PCB 連接,光訊號藉由光纖傳輸到光模組後,轉回電訊號進行處理,再經過SerDes傳輸通道送到 ASIC。這樣的設計可改善訊號損耗,並提高整體傳輸速度。然而,由於訊號需要經過電路板和載板,最終抵達Switch ASIC,過程中仍可能導致訊號延遲以及一定程度的訊號損失。

在插拔式光收發模組中,存在多種形式,例如SFP、QSFP、CFP等,這些模組廣泛應用於資料中心和高效能運算環境中,因其不僅提供卓越的傳輸性能,還具備易於部署與維護的優點,可滿足不同的速度和距離需求。其中Quad Small Form-factor Pluggable(QSFP)是一種常見的標準。QSFP模組以其高密度和高性能著稱,能夠支持100G、400G甚至800G的數據傳輸速率。QSFP模組透過標準化的接口設計,使得現有系統的升級與擴展變得更加簡便,有助於降低營運成本並同時提高整體效率。

(2)板上光學(On-Board Optics, OBO)

隨著技術的進步,2018年起,光學收發模組逐漸過渡到板上光學技術的型態。OBO允許光學元件直接放置在與電子元件相同的電路板中,縮短光學模組與ASIC之間的距離,從而減少訊號傳輸過程中的損耗和延遲,並且實現光學系統更有效的散熱和微型化。此配置透過OBO連接器將光學模組和光纖相連,使得資料中心和網路設備能夠處理更高的數據傳輸量。OBO技術提供一種在保持現有PCB設計基礎上提升性能的途徑,適應不斷成長的資料量需求。

(3)近封裝光學(Near-Package Optics, NPO)

而自2020年起,技術進一步發展至近封裝光學的型態。NPO技術將光學元件整合到與交換ASIC相同的封裝中,但光學元件並非直接安裝在電子元件上,而是通過高性能PCB基板進行水平連接。此設計提供了折衷方案,既能顯著提高數據傳輸速率,又能改善訊號完整性。作為CPO的過渡階段,NPO的應用使得資料中心和雲端服務商能於現有基礎設施,提升系統性能,在不大幅增加成本的情況下,過渡到更高效、更節能的光學通訊技術。

(4)共封裝光學(Co-Packaged Optics, CPO)

預計到2026年,未來的共封裝光學技術將趨於成熟,實現光通訊模組和光交換晶片在同一封裝基板上的完全整合,可提供更短的光學路徑,從而達到最佳的訊號傳輸性能和最低的能量損耗,同時降低系統複雜度,解決晶片以及封裝層面的互連挑戰。然而,在商業化進程上仍將面臨成本、可擴展性和行業採用等挑戰,需要先進的製造工藝和精確的對位技術。CPO技術在大幅提升數據傳輸效能之下,將有望在先進資料中心、高性能運算以及新興技術如5G網路以及人工智慧中發揮重要作用。

 

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