過(guò)去 50 年來(lái)，移動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新每十年都會(huì)推出一次。移動(dòng)帶寬要求已從語(yǔ)音通話和短信發(fā)展到超高清 (UHD) 視頻和各種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí) (AR/VR) 應(yīng)用。盡管 COVID-19 疫情對(duì)電信基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)鏈產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，但全球消費(fèi)者和企業(yè)用戶仍在繼續(xù)創(chuàng)造對(duì)網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)的新需求。社交網(wǎng)絡(luò)、商務(wù)會(huì)議、超高清視頻流、電子商務(wù)和游戲應(yīng)用將繼續(xù)推動(dòng)增長(zhǎng)。

每個(gè)家庭和人均連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備的平均數(shù)量正在增加。隨著功能和智能不斷增強(qiáng)的新型數(shù)字設(shè)備的出現(xiàn)，我們觀察到采用率逐年上升。此外，智能電表、視頻監(jiān)控、醫(yī)療保健監(jiān)控、互聯(lián)驅(qū)動(dòng)器和自動(dòng)化物流等不斷擴(kuò)展的機(jī)器對(duì)機(jī)器應(yīng)用程序極大地促進(jìn)了設(shè)備和連接的增長(zhǎng)，并推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)展。

由于預(yù)算削減，共封裝光學(xué) (CPO：co-packaged optics) 社區(qū)面臨著困難時(shí)期，因?yàn)榭刹灏纹骷╬luggables ）已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn) CPO 所承諾的成本節(jié)約和低功耗。只有當(dāng)可插拔技術(shù)失去動(dòng)力時(shí)，CPO 才會(huì)得到全面部署。至少在接下來(lái)的兩代交換機(jī)系統(tǒng)中，它很難與可插拔模塊競(jìng)爭(zhēng)，而可插拔模塊在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍然是首選。CPO 最近因其在數(shù)據(jù)中心 (DC) 中的網(wǎng)絡(luò)能效而受到廣泛關(guān)注。我們的分析表明，與 DC 的總功耗相比，網(wǎng)絡(luò)節(jié)省的功耗可以忽略不計(jì)。只有博通、英特爾、Marvell 等少數(shù) CPO 廠商會(huì)將專(zhuān)有解決方案推向市場(chǎng)。為了滿足市場(chǎng)需求并讓最終用戶相信 CPO 的可行性，

最遲到 2029 年，隨著 6.4T 光模塊的到來(lái)，CPO 和可插拔光學(xué)器件之間可能會(huì)發(fā)生激烈的競(jìng)爭(zhēng)。CPO 系統(tǒng)中的多個(gè)技術(shù)障礙預(yù)計(jì)屆時(shí)將得到解決。然而，收發(fā)器行業(yè)正在不斷致力于創(chuàng)新，以推動(dòng)可插拔光學(xué)器件市場(chǎng)的發(fā)展。在 CPO 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的批量出貨之前，可插拔器件將采用聯(lián)合封裝方法，光學(xué)引擎將在高性能計(jì)算和分解的未來(lái)系統(tǒng)中獲得更普及。圍繞機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 系統(tǒng)供應(yīng)商 Nvidia 和 HPE 的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，包括 Ayar Labs、Intel、Ranovus、Lightmatter、AMD、GlobalFoundries 等已取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，計(jì)劃在 2024 年至 2026 年間批量出貨產(chǎn)品。

CPO市場(chǎng)產(chǎn)生的收入在 2022 年達(dá)到約 3800 萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到 2033 年將達(dá)26億美元，2022-2033 年復(fù)合年增長(zhǎng)率為 46%。對(duì)快速增長(zhǎng)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集大小的預(yù)測(cè)表明，數(shù)據(jù)將成為擴(kuò)展 ML 模型的主要瓶頸，因此我們可能會(huì)看到人工智能 (AI) 進(jìn)展放緩。在 ML 硬件中使用光學(xué)輸入/輸出 (I/O) 有助于克服此分析的負(fù)面結(jié)果。這些負(fù)面前景是下一代高性能計(jì)算 (HPC) 系統(tǒng)采用光學(xué)互連的主要驅(qū)動(dòng)力。

光子集成電路可實(shí)現(xiàn)低功耗且經(jīng)濟(jì)高效的光學(xué)互連的共同封裝

我們預(yù)計(jì) 800G 和 1.6T 可插拔模塊將受到高度歡迎，因?yàn)樗鼈兝?100G 和 200G 單波長(zhǎng)光學(xué)器件，因此可以在技術(shù)上和成本效益上以 QSFP-DD 和 OSFP-XD 外形尺寸實(shí)施?？刹灏瓮庑纬叽缭谒璧碾姾凸饷芏?、熱管理和能源效率方面支持 6.4T 和 12.8 容量的能力將受到限制。由于采用分立電氣器件，功耗和熱管理正在成為未來(lái)可插拔光學(xué)器件的限制因素。使用硅光子技術(shù)平臺(tái)的共封裝旨在克服上述挑戰(zhàn)。

光纖距離芯片組越來(lái)越近。利用光將數(shù)據(jù)引入并進(jìn)行集中處理是架構(gòu)設(shè)計(jì)師的主要目標(biāo)之一。這一趨勢(shì)始于十年前，當(dāng)時(shí)是安裝在印刷電路板 (PCB) 上的光學(xué)組件的專(zhuān)有設(shè)計(jì)。這些嵌入式光學(xué)互連 (EOI：embedded optical interconnects ) 的理念在板載光學(xué)聯(lián)盟 (COBO：Consortium for On-Board Optics) 中得以延續(xù)，以制定規(guī)范，允許在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造中使用板載光學(xué)模塊。CPO 是一種創(chuàng)新方法，將光學(xué)器件和交換機(jī)專(zhuān)用集成電路 (ASIC) 緊密結(jié)合在一起。由于在50T交換芯片周?chē)胖?6個(gè)3.2Tbps光模塊對(duì)于當(dāng)今的技術(shù)來(lái)說(shuō)是具有挑戰(zhàn)性的，近封裝光學(xué) (NPO) 通過(guò)使用位于主板上的高性能 PCB 基板（中介層）來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，而 CPO 則將模塊包圍在多芯片模塊基板上的芯片周?chē)?。NPO 中介層更加寬敞，使得芯片和光學(xué)模塊之間的信號(hào)路由更加容易，同時(shí)仍滿足信號(hào)完整性要求。相比之下，CPO 將模塊和主機(jī) ASIC 限制得更近，通道損耗更低，功耗也更低。

隨著技術(shù)的進(jìn)步使得通信和計(jì)算技術(shù)在商業(yè)系統(tǒng)中的集成更加緊密，網(wǎng)絡(luò)硬件正在出現(xiàn)越來(lái)越多的通用組件。此外，人工智能模型的規(guī)模正在以前所未有的速度增長(zhǎng)，芯片到芯片或板到板的傳統(tǒng)架構(gòu)（基于銅的電氣互連）的功能將成為擴(kuò)展機(jī)器學(xué)習(xí)的主要瓶頸。因此，針對(duì)高性能計(jì)算 (HPC) 及其新的分解架構(gòu)出現(xiàn)了新型超短距離光學(xué)互連。分解設(shè)計(jì)區(qū)分服務(wù)器卡上的計(jì)算、內(nèi)存和存儲(chǔ)組件，并將它們單獨(dú)集中。對(duì)各種處理單元 (xPU)，特別是中央處理單元 (CPU)、數(shù)據(jù)處理單元（DPU）、圖像處理單元（GPU）和可編程邏輯器件（FPGA）使用基于光學(xué)的互連，而ASIC、存儲(chǔ)等則通過(guò)先進(jìn)光學(xué)共封裝方法以獲得更快的速度和更高的帶寬。

數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商將更喜歡經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的低成本且靈活的解決方案

如今，光插拔模塊市場(chǎng)供應(yīng)鏈已十分完善。它由分立或集成元件供應(yīng)商、生產(chǎn)發(fā)射器和接收器光學(xué)組件（TOSA 和 ROSA）的光學(xué)公司、多路復(fù)用器、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 和 PCB 以及組裝/測(cè)試集成商組成。在這種多供應(yīng)商市場(chǎng)模式中，涉及許多不同的供應(yīng)商。此外，一個(gè)開(kāi)關(guān)盒中多個(gè)不同可插拔模塊的互操作性有助于提高行業(yè)的靈活性。這些是目前相對(duì)于嚴(yán)重依賴硅光子學(xué)的 CPO 的主要優(yōu)勢(shì)。憑借高度集成的光學(xué)和硅芯片，人們非常需要新的工程能力和代工廠，這對(duì)于傳統(tǒng)的中型企業(yè)來(lái)說(shuō)是無(wú)法接受的。

需要指出的是，盡管高端CPO解決方案的主流部署主要針對(duì)大型云運(yùn)營(yíng)商，但仍有大量小型企業(yè)數(shù)據(jù)中心尚未采用最新的互連技術(shù)，因此技術(shù)交流非常多。這意味著，即使 CPO 成為主流技術(shù)，對(duì)于 CPO 在技術(shù)或經(jīng)濟(jì)上不可行的多種應(yīng)用（例如長(zhǎng)途應(yīng)用和邊緣數(shù)據(jù)中心），可插拔模塊的需求仍然很高。我們預(yù)計(jì)可插拔技術(shù)在未來(lái) 10 年內(nèi)不會(huì)被淘汰。然而，可插拔光學(xué)器件行業(yè)可能會(huì)整合，而 CPO 市場(chǎng)將被塑造為支持多供應(yīng)商商業(yè)模式。

2020年，光互連與交換設(shè)備行業(yè)對(duì)CPO的進(jìn)一步發(fā)展展開(kāi)了深入而廣泛的討論。此后宣布了多項(xiàng)戰(zhàn)略合作，并且出現(xiàn)了第一個(gè)概念驗(yàn)證。業(yè)界認(rèn)真對(duì)待這一問(wèn)題的證據(jù)是，光互連論壇 (OIF)、COBO 和多源協(xié)議 (MSA) 組織等標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)已經(jīng)建立了內(nèi)部項(xiàng)目來(lái)創(chuàng)建 CPO 規(guī)范。四大超大規(guī)模云運(yùn)營(yíng)商中的兩家——Meta 和微軟——積極支持 CPO 滲透到其云網(wǎng)絡(luò)中。

2022 年，將運(yùn)送數(shù)千臺(tái) CPO 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試點(diǎn)測(cè)試。今年，我們將看到一些宏觀經(jīng)濟(jì)逆風(fēng)將對(duì)預(yù)算密集型項(xiàng)目產(chǎn)生負(fù)面影響，特別是對(duì)于CPO等新興技術(shù)。最近的消息表明，大多數(shù) CPO 的主要支持者已經(jīng)暫停了對(duì) CPO 計(jì)劃的支持。甚至最終用戶也不再關(guān)注 CPO。Broadcom 仍然是最后一家 CPO 供應(yīng)商。CPO 失去吸引力有幾個(gè)原因。第一個(gè)原因是圍繞可插拔設(shè)備的完善的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。此外，用于可插拔外形尺寸的新光學(xué)技術(shù)，包括薄膜鈮酸鋰（TFLN）、鈦酸鋇（BTO）、碳和聚合物調(diào)制器，可以幫助實(shí)現(xiàn)所需的低功耗，并且可以在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的情況下引入市場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

AI/ML 系統(tǒng)的 CPO 情況有所不同。未來(lái)數(shù)十億個(gè)光學(xué)互連、芯片-芯片和電路板的潛力將推動(dòng)大型代工廠為大規(guī)模生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。由于大部分光子制造知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 都由非代工公司持有，塔爾半導(dǎo)體/英特爾、格芯、日月光集團(tuán)、臺(tái)積電和三星等大型代工廠正在準(zhǔn)備硅光子工藝流程，以接受任何光子集成電路（ PIC）設(shè)計(jì)公司的架構(gòu)。所有這些都在外圍組件互連 Express (PCIe)、Compute Express Link (CXL) 和通用 Chiplet Interconnect Express (UCIe) 等行業(yè)聯(lián)盟中聯(lián)合起來(lái)。小芯片互連的通用規(guī)范使得能夠構(gòu)建超過(guò)最大掩模版尺寸的大型片上系統(tǒng) (SoC) 封裝。這允許在同一封裝內(nèi)混合來(lái)自不同供應(yīng)商的組件，并通過(guò)使用更小的芯片來(lái)提高制造產(chǎn)量。每個(gè)小芯片可以使用適合特定設(shè)備類(lèi)型或計(jì)算性能/功耗要求的不同硅制造工藝。

編輯：黃飛

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