硅光子與CPO共封裝技術(shù)

  ICC訊 共封裝光學(xué)(以下簡稱CPO)，英文名為co-packaged optics或者in-package optics，僅僅從這個(gè)名字出發(fā)，感覺似乎少了點(diǎn)什么，光學(xué)和誰封裝在一起?其實(shí)，這個(gè)詞后面應(yīng)該加幾個(gè)單詞，with eletronics或者with ASIC，這樣就比較好理解了。直白一點(diǎn)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(shù)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(jìn)一步提升數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的光互連技術(shù)。

  圖1：CMOS硅光子芯片

  在CPO技術(shù)興起之前，傳統(tǒng)技術(shù)是把硅光模塊和CMOS芯片獨(dú)立成兩個(gè)單獨(dú)模塊，然后在PCB板上連到一起。這么做的優(yōu)勢是設(shè)計(jì)較為模塊化，硅光模塊或者CMOS芯片其中一個(gè)出問題都可以單獨(dú)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(shè)計(jì)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(jìn)一步提升數(shù)據(jù)中心中的服務(wù)器密度。

  而CPO技術(shù)可以解決這些問題。當(dāng)使用高級封裝技術(shù)把硅光模塊和CMOS芯片集成到同一個(gè)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(gè)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(shù)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)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(jī)和光學(xué)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(jī)功耗436W，而CPO交換機(jī)通過共同封裝大幅度縮短電連接，功耗僅230W。

  圖3：CPO交換機(jī)

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

  隨著數(shù)據(jù)中心中的CPO技術(shù)崛起。Light counting預(yù)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)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(shù)演進(jìn)將集中在更高集成度，以及和CMOS芯片的封裝上面，而先進(jìn)的硅光子制造工藝以及封裝技術(shù)將會成為硅光子技術(shù)演進(jìn)的核心技術(shù)支撐。