電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）隨著AI應(yīng)用對(duì)算力需求的爆發(fā)增長，數(shù)據(jù)中心互連的要求提高，光模塊逐漸從800G邁向1.6T之后，CPO技術(shù)也開始受到行業(yè)重視。而英偉達(dá)、博通等廠商近幾年不斷強(qiáng)調(diào)CPO的重要性，也使得CPO已經(jīng)在業(yè)界成為了一個(gè)共識(shí)：數(shù)據(jù)中心互連技術(shù)的未來，需要CPO技術(shù)的支撐。

CPO即共封裝光學(xué)，是將光學(xué)收發(fā)器直接與交換芯片/計(jì)算芯片集成在同一封裝中的一種技術(shù)。傳統(tǒng)的可插拔光學(xué)模塊雖然在較低數(shù)據(jù)速率下仍有應(yīng)用空間，但隨著數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量以近30%的復(fù)合年增長率激增，在信號(hào)完整性、功率效率和帶寬密度方面面臨挑戰(zhàn)。CPO通過最小化電氣鏈路長度，在早期實(shí)現(xiàn)中將功耗降低30-50%，并支持每秒超過800G和1.6T的高數(shù)據(jù)速率。

在數(shù)據(jù)中心互連技術(shù)的演變中，從傳統(tǒng)銅線到光纖，再到CPO，尤其是CPO技術(shù)中還存在多個(gè)發(fā)展階段。下文就將通過六個(gè)部分，來回顧和展望數(shù)據(jù)中心互連技術(shù)的演變。

DAC電纜（銅質(zhì)直接連接電纜）

在最早的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互連中，數(shù)據(jù)傳輸是通過銅纜進(jìn)行的，在這個(gè)階段的架構(gòu)是以交換芯片（Switch）通過OSFP/QSFP-DD連接器連接到DAC電纜為主，支持112G LR速率。主要特點(diǎn)在于依賴純電氣連接，適用于短距離數(shù)據(jù)傳輸，比如數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的機(jī)架間連接。優(yōu)點(diǎn)包括成本低廉、部署簡單，且無需光學(xué)轉(zhuǎn)換設(shè)備，功耗也較低。然而，缺點(diǎn)也非常顯著，包括銅線信號(hào)衰減嚴(yán)重，傳輸距離有限（通常僅幾米），功耗較高，無法滿足高密度和高速度的應(yīng)用需求。這一階段代表了早期數(shù)據(jù)中心的低帶寬解決方案，隨著數(shù)據(jù)爆炸增長，已逐漸被光學(xué)技術(shù)取代。

可插拔光模塊

進(jìn)入光通信時(shí)代，最廣泛應(yīng)用的也是現(xiàn)階段常見的可插拔光模塊。交換芯片通過OSFP/QSFP-DD/COBO連接器連接到TRX（光收發(fā)器）模塊，再延伸到光纖，支持112G VSR（極短距離）/C2M（芯片到模塊）接口。

這種模式中，光模塊支持熱插拔，維護(hù)和升級(jí)都較為方便，優(yōu)點(diǎn)就在于靈活性高，標(biāo)準(zhǔn)化的光模塊易于替換升級(jí)，可以擴(kuò)展傳輸距離并提升帶寬。而缺點(diǎn)是交換芯片到板邊緣的電氣鏈路仍然較長，導(dǎo)致導(dǎo)致信號(hào)損失和功耗增加，同時(shí)TRX采用Retimer和均衡器實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，功耗也較高。目前主流的數(shù)據(jù)中心內(nèi)，中距離連接普遍采用光模塊，但隨著AI算力的需求不斷增長，未來將逐漸難以應(yīng)對(duì)AI負(fù)載的需求。

當(dāng)然，目前針對(duì)成本和800G解決方案的需求，也演變出LPO（線性可插拔光學(xué)）和LRO（線性接收光學(xué)）兩種技術(shù)路徑。

LPO是一種低功耗的可插拔光學(xué)模塊技術(shù)，它通過直接驅(qū)動(dòng)光學(xué)組件，而非依賴傳統(tǒng)的DSP進(jìn)行信號(hào)重定時(shí)和補(bǔ)償。在傳統(tǒng)光學(xué)模塊中，DSP負(fù)責(zé)處理信號(hào)失真、時(shí)鐘恢復(fù)和均衡，但這會(huì)消耗大量功率，尤其對(duì)于800G及以上速率的光模塊中。LPO則將DSP功能移到主機(jī)側(cè)，比如交換機(jī)ASIC上，從而簡化模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更低的功耗、更低成本和更低延遲。

而為了進(jìn)一步降低功耗，在LPO的基礎(chǔ)上也演變出LRO技術(shù)。LRO同樣是省去DSP，相比LPO更加強(qiáng)調(diào)接收端的信號(hào)線性化，結(jié)合硅光技術(shù)實(shí)現(xiàn)高集成度，相比LPO的功耗更低，并在未來可以與CPO結(jié)合提升系統(tǒng)的整體效率。

板載光模塊（OBO）

作為過渡階段，OBO將光學(xué)模塊移到電路板上。結(jié)構(gòu)上，交換芯片通過COBO連接器連接到TRX，再經(jīng)被動(dòng)連接器到光纖，仍使用112G VSR/C2M接口。

特點(diǎn)在于縮短了電氣鏈路，提高了集成度。優(yōu)點(diǎn)包括減少板邊緣連接，提升密度和效率；被動(dòng)連接器簡化了光纖管理。缺點(diǎn)是模塊仍獨(dú)立于Switch，熱管理和功耗優(yōu)化有限，無法實(shí)現(xiàn)更深層的集成。這一階段適合需要更高密度的系統(tǒng)，但尚未達(dá)到CPO的完整潛力。

2.5D共封裝光學(xué)

CPO技術(shù)的真正起點(diǎn)是2.5D CPO，這個(gè)階段的互連速率可以高達(dá)25Tb/s甚至50Tb/s，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)可插拔模塊。2.5D CPO中交換芯片ASIC直接與光學(xué)引擎封裝在同一基板上，核心結(jié)構(gòu)基于硅中介層，將多個(gè)芯片并排放置，通過銅柱微凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電氣連接，以支持高密度互連。相比3D堆疊，2.5D的側(cè)向布局簡化了制造工藝，但仍可以提供比2D封裝更高的集成度。

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來源：APNIC Blog

2.5D CPO特點(diǎn)在于引入模塊化芯片組設(shè)計(jì)，將Switch分解為可定制組件，進(jìn)一步集成光學(xué)引擎。通過縮短電氣鏈路長度，減少信號(hào)損失和功率消耗。博通和英偉達(dá)的報(bào)告顯示，與傳統(tǒng)光模塊相比，2.5D CPO功率效率可提升3.5倍以上，每bit功耗降至<5 pJ/bit。

而缺點(diǎn)是芯片組集成增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，中介層對(duì)準(zhǔn)和鍵合要求高，需要先進(jìn)封裝技術(shù)。這一階段針對(duì)未來超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，支持Tb/s級(jí)AI訓(xùn)練應(yīng)用，英偉達(dá)、博通已經(jīng)有部分交換機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)。

2.5D Chiplet CPO

2.5D Chiplet CPO是2.5D CPO的高級(jí)變體，將chiplet設(shè)計(jì)融入到2.5D封裝框架內(nèi)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)和電子組件的模塊化集成。其核心同樣是基于硅中介層，通過RDL和TVS連接多個(gè)Chiplet，支持高密度互連。其中，交換芯片被分解成多個(gè)小的Chiplet，比如將計(jì)算、I/O、內(nèi)存等模塊分解，與PIC并排放置。

而光學(xué)組件包括激光器、調(diào)制器、探測器等與Chiplet異構(gòu)集成，這種設(shè)計(jì)可以獨(dú)立優(yōu)化每一個(gè)模塊，便于升級(jí)和定制。在制造層面上，Chiplet間的對(duì)準(zhǔn)和互連要求高，可能增加制造難度。總體來看，2.5D Chiplet CPO是CPO邁向3D封裝的過渡階段。

3D CPO

通過3D封裝，CPO技術(shù)達(dá)到了最先進(jìn)的階段。通過垂直堆疊光學(xué)和電子組件，實(shí)現(xiàn)更高的集成度和性能優(yōu)化，并解決了2.5D CPO的面積限制和信號(hào)延遲問題，能夠支持超過100Tb/s的帶寬。
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來源：Alphawave semi
3D CPO的核心結(jié)構(gòu)基于垂直堆疊和TSV技術(shù)，將光學(xué)和電子層疊加，實(shí)現(xiàn)無縫集成。硅光子芯片作為基底層，集成激光器、波導(dǎo)、光學(xué)切換和路由功能。上層堆疊電子集成電路如ASIC和PIC，通過TSV和微凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)層間互連，實(shí)現(xiàn)更短的跡線，減少信號(hào)損失。

計(jì)算芯片如ASIC，被多個(gè)硅光子IC收發(fā)器芯片組包圍，垂直堆疊在中介層上。光學(xué)引擎包括調(diào)制器、探測器和光纖陣列單元FAU，直接與電子層耦合。激光源則置于基底層，光信號(hào)通過波導(dǎo)垂直傳輸?shù)缴蠈?。外部光纖通過FAU連接，支持高密度接口如USR/XSR。

相比2.5D的側(cè)向布局，3D堆疊減少了占用面積，實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)。但與此同時(shí)，其面臨的制造和熱管理難度也非常大，制造中層間對(duì)準(zhǔn)和TSV要求高，良率較低，成本較高；垂直堆疊增加熱密度，需要有更好的散熱方案。

總體來說，3DCPO通過垂直堆疊實(shí)現(xiàn)光學(xué)與電子的深度融合，提供超高性能、低功耗的解決方案。它在結(jié)構(gòu)上強(qiáng)調(diào)層疊集成，在特點(diǎn)上突出密度和效率，是未來的CPO技術(shù)趨勢之一。

寫在最后：

從銅線DAC到3D CPO的六個(gè)發(fā)展階段背后，是數(shù)據(jù)中心互連需求不斷提高的需求，高速互連逐步從電氣依賴轉(zhuǎn)向光學(xué)主導(dǎo)，并在光學(xué)階段進(jìn)一步出現(xiàn)多種技術(shù)路徑的演變。未來，隨著制造技術(shù)的成熟，光學(xué)技術(shù)將推動(dòng)數(shù)據(jù)中心向更高算力、更高效的方向發(fā)展。