什麼是共同封裝光學？

共同封裝光學 (CPO) 是一種旨在應對當今資料密集網路中日益增長的頻寬密度、通訊延遲、銅線傳輸距離和能源效率等挑戰的方案，其藉由將通訊所需的關鍵元素 (亦即光學元件與電子元件) 更加緊密結合在一起來實現這個目的。

如今，業界使用的不同術語產生了一些混淆，例如光學輸入/輸出 (OIO) 與 CPO，尤其是近封裝光學 (NPO) 常被錯標為 CPO。在此釐清，CPO 的普遍整體趨勢與 OIO相同，皆朝向基於小晶片的技術發展，將光學整合到3D-IC封裝中。

可插拔光學收發器及後繼裝置

在高解析度影片串流、虛擬實境、物聯網 (IoT)、高效能運算 (HPC) 以及人工智慧與機器學習 (AI/ML) 所驅動的世界中，對於資料有著永無止盡的需求，使全球的網路和資料中心面臨著對更高頻寬、更低延遲和更低耗電量的更高需求。

光學元件最初只在長距離通訊中占主導地位，但現已廣泛應用於資料中心的短距離通訊，並使用插拔式光學收發器提升機架內與機架間的頻寬密度。雖然這些收發器已從 100G 發展到 400G、800G 和 1.6T，但在更高速度下，其耗電量成了不利影響，特別是在 AI 等資料密集型應用中。此外，「可插拔」的頻寬可擴充性和外型規格，限制未來提升至6.4T 和 12.8T 等容量。

為因應這些挑戰，業界正積極投資 CPO 與 OIO，預示了新一代解決方案的來臨，以滿足不斷發展的新興應用和未來高容量的網路需求。各個聯盟、多供應商協議與標準機構 (如電機電子工程師學會 (IEEE) 和光纖網際網路論壇 (OIF)) 共同合作協調，旨在使 CPO 解決方案的規範一致。

獲得共同封裝光學的益處

Broadcom 與 Cisco 提出的前期CPO 解決方案顯示出可節省 30 - 50% 耗電量，每互連位元功率約小於 1 pJ。Ayar Labs 展示了在雙向傳輸量達 16 Tbps時，每互連位元功率小於 5 pJ。一般而言，CPO 可以多種不同的方式實現節能：

• 避免銅線損耗：不同於可插拔光學，CPO的設計避免透過高能量耗損之銅連接線將訊號從特定應用積體電路 (ASIC) 晶片傳輸過整個電路板至前面板的需求。取而代之的是，CPO 設計將光纖直接連接至交換器，從而實現晶片與光學引擎之間的短距離、低損耗通訊。
• 更少數位訊號處理器 (DSP)：在目前速度高於每通道 25G 的架構中，以 DSP 為基礎的重計時器已成為可插拔光學中的必要元件，用於主動分析並補償訊號衰減、失真和時序問題。DSP 導致整體系統功率提高 25 - 30%。然而，有鑑於 CPO 去除了 ASIC 和光學元件之間的晶片外損耗銅線，設計者可以有把握地減少一階 DSP 以節省能源並降低成本。
• 整合式雷射：關於雷射光源的放置，有兩種不同的觀點。主流的方法是使用外部雷射，需要透過光纖傳輸光線，並將其耦合到 CPO 中，這種方法通常會產生 30 - 50% 的光學功率耗損。另一種方法則是將雷射直接整合到晶片上，與前者相比，若是在熱管理和雷射可靠度可控下，後者就提供更好的光學耦合。
• 高頻寬和低延遲：CPO 可以實現更高的頻寬和更低的延遲，主要是因為 DSP 較少，並且消除了長銅線。CPO 解決方案可以避免如 DSP 的額外模組以及銅線中的寄生效應所造成訊號延遲問題。

應用共同封裝光學元件

用於網路的 CPO：CPO 的主要應用是用於連接資料中心伺服器的前端網路。由於上述的高頻寬、低延遲和能源效率優勢，CPO 是網路應用中實現新一代光學乙太網路技術的前瞻方法。

OIO (用於 AI/ML 的 HPC)：為了處理 AI/ML 工作負載，光學產業正在研究一種由 OIO 支援的新結構，稱為 AI 後端網路。

在運算領域中，長期資料傳輸的速率限制加上傳統、孤立的 HPC 架構中缺少彈性的資源分配，導致頻寬容量以及在處理工作負載多樣性方面效率不足等顯著瓶頸。隨著中央處理器 (CPU) 和圖形處理器 (GPU) 的處理速度飛快上升，現有的 I/O 基礎架構難以跟上步伐，致使處理器經常性地等待資料而造成效率不足。

由於 AI/ML 工作負載需求不斷增加，這種困境變得更加嚴重，這時就需要一個具有高速率、低延遲、無損資料傳輸和可擴展性的網路結構。這就是 OIO 重要性之所在，它準備徹底改變現狀。

HPC 中，不斷發展的分離式架構是透過將記憶體、運算和儲存區分離至尖端 OIO 互連的叢集，來克服孤立的限制。這種策略轉變可實現動態資源分配，解決傳統架構在處理不同資料中心工作負載時效率低下的問題。

瞭解共同封裝光學元件的挑戰

• 供應商的束縛：由單一供應商提供交換器和光學元件的情況，意味著超大規模業者可能會缺乏靈活性與自由度。一旦他們在特定供應商的生態系統中投入大量資金，他們可能會在轉換另一個供應商產品時面臨困難。這可能會限制他們輕鬆切換或升級零件的能力，從而可能導致依賴關係和限制性。
• 可靠度和現場維護：可插拔為高度模組化，可在發生故障時迅速更換，或是在任何供應商之間換用。在 CPO 中，更換光學元件涉及拉出整個交換器，需要一定程度的專業知識來執行複雜的服務任務。為應對這一挑戰，一些 CPO 會設計將高風險的主動元件 (如雷射) 分解到更易於現場更換的遠端可插拔模組上，或是使用可插拔式光學連接器。
• 熱管理：將積體光路(PIC) 放置於電封裝中，會增加熱串擾的可能性。光晶粒中來自加熱器和雷射源的熱能會影響封裝的溫度分布，而電晶粒中產生的熱能和整個系統的冷卻機制也會影響 PIC 的熱行為。因此，需要從晶粒到系統級的完整熱分析。
• 訊號和電源完整性：需要對整個系統進行暫態模擬，以確保訊號和電源的完整性。這將需要自洽的光電路模擬，同時考慮封裝階段引入的不同類型電互連所產生的額外寄生效應。
• 裸晶邊緣擴充性：因為光纖通常是透過邊緣耦合，CPO 和 OIO 的關鍵指標是晶片邊緣的頻寬密度，而最小光纖間距限制固定的基板大小上的光纖數量。由於波導和光纖尺寸之間的巨大差異為邊緣耦合架構的扇出帶來上不可避免的挑戰，想像一下在不破壞基板尺寸的情況下，需要容納數千根光纖的難度。使用 V 形槽可以垂直定位光纖，幫助在沒有扇出下實現邊緣耦合架構。另外，光柵搭配微透鏡的耦合架構也是研究中的一種創新解決方案。
• 光纖連接：將光學訊號從光纖陣列有效耦合到封裝是一項艱鉅的任務。有幾個考慮因素，例如光纖對準 (透過被動或主動對準方法達成) 與傾斜、結構與熱管理、製造和維護難易。設計者需要仔細模擬並最佳化其光學耦合設計。
• 製造和測試：低成本和高效益的設計可提升商業成功的機會。特別是在多供應商供應鏈中，穩定一致的品質和有效的測試程序是持續發展需求和投資的重要課題。

檢視相關的市場趨勢

小晶片的出現：小晶片本質上是小型的獨立晶粒，可被共同封裝作為成單晶片運行，使產業從系統單晶片轉變成單一封裝的晶片系統。小晶片可能在 CPO 的運用中發揮作用，甚至加速 CPO 的運用。小晶片方法可將不同的技術和功能混合在一個封裝中。例如，OIO 小晶片可以基於較舊的 CMOS 節點，而 ASIC 則使用較先進的節點，從而降低成本並提高晶片產量。

透過 3D-IC 提升集成密度：透過 3D-IC 技術，半導體產業正在實現集成密度的提升。儘管當今許多 CPO 方法，包含將光和電晶片並排放置在低損耗基板上，但 3D-IC 的進步可以實現多晶粒小晶片 CPO，透過用低功率和高頻寬的晶片間資料傳輸將OIO與ASIC三維整合。這種積體密度會導致規模更大且更複雜的設計，這就需要越來越多的多物理場和電磁模擬來分析新出現的物理效應。

線性驅動可插拔光學元件 (LPO)：現有的可插拔技術仍持續演進，不會輕易從市場上退出。與 CPO 類似，LPO 透過從可插拔光學元件中移除 DSP 以節省電力。相較於傳統插入式模組，光和電晶片在 CPO 中的緊密整合可將整體尺寸縮小數個數量級。然而，可插拔元件本身也可以採用這種縮小來改善其龐大的尺寸。

要滿足市場期望並獲得最終使用者對 CPO 可行性的信心，需要展示強大的多供應商業務模式，並節省大量成本和功耗。為了利用產業趨勢和技術加速採用 CPO 和 OIO，光學產業需要補足一些關鍵元素，例如 IP 區塊和光學介面標準。從設計和模擬軟體供應商、元件和晶片設計人員、系統架構到封裝廠、測試設備供應商和代工廠，供應鏈中的所有參與者的合作缺一不可。建立生態系統絕非易事，肯定需要時間來達成。儘管如此，隨著 AI/ML 等龐大應用的到來，這場技術競逐已經開跑。

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