共封装光学器件（CPO）手册——以光为介质实现下一代互连技术扩展_115页_12mb

共封装光学器件（CPO）技术手册总结

核心内容概览

共封装光学器件（CPO）是一种将光引擎直接集成于计算芯片或交换机ASIC的封装技术，旨在提升数据传输效率，降低能耗，并减少信号延迟。CPO技术的出现是为了解决传统可插拔光收发器在距离、功耗和成本上的限制，尤其在人工智能（AI）和高性能计算（HPC）领域，其高带宽需求使得CPO成为未来互连技术的重要方向。

主要观点

• CPO技术优势：

  • 能效提升：相比传统DSP收发器，CPO技术能将每比特能耗降低高达80%。
  • 带宽密度增加：通过减少电气互联距离，CPO能显著提升带宽密度。
  • 减少延迟：CPO方案缩短了电信号传输路径，从而减少信号延迟。
  • 可维护性与可靠性：CPO可减少因光引擎故障导致的系统瘫痪风险，部分方案采用可插拔外部激光源以提高可维护性。

• CPO的挑战：

  • 供应链成熟度：CPO技术仍处于早期阶段，供应链尚未完全准备好支持大规模部署。
  • 制造复杂性：CPO需要复杂的封装工艺，且制造良率和热管理是关键障碍。
  • 行业标准不统一：目前缺乏统一的CPO标准，影响其推广速度。
  • 成本与功耗权衡：虽然CPO在能耗上占优，但其成本节约幅度有限，尤其在横向扩展场景中。

关键信息

CPO与传统光收发器对比

CPO的市场与部署情况

• 横向扩展CPO：

  • 应用现状：NVIDIA已推出首款支持CPO的横向扩展交换机，如Quantum 3450 CPO和Spectrum 6800 CPO。
  • 成本与功耗：CPO方案在横向扩展中仅能带来约7%的成本节约和4%的功耗降低。
  • 部署趋势：预计短期内CPO在横向扩展中的采用率有限，主要由于供应链和可靠性问题。

• 纵向扩展CPO：

  • 应用场景：纵向扩展网络对高带宽、低延迟和大连接规模的需求使CPO成为更理想的解决方案。
  • 技术优势：CPO能突破铜缆的传输距离限制，提供更灵活的带宽扩展路径。
  • 市场预期：主要超大规模企业正积极部署CPO技术，预计到2028年将实现显著应用增长。

CPO技术演进与替代方案

• CPO技术路线：

  • 共封装于基板：目前CPO多采用基板封装方式，未来可能转向中介层封装。
  • CPC（共封装铜线）：作为CPO的替代方案，CPC通过减少PCB走线损耗，支持更高带宽（如448G）。

• 中间方案：

  • NPO（近封装光模块）：与CPO类似，但光引擎仍可插拔。
  • OBO（板载光学模块）：将光引擎集成到PCB上，但面临CPO的复杂性和可插拔模块的局限性。

CPO产品与供应链

• 主要CPO产品：

  • NVIDIA：
    • Quantum 3450 CPO：28.8 Tbps，144个800G端口，2025年推出。
    • Spectrum 6800 CPO：102.4 Tbps，512个800G端口，2026年推出。
  • 其他企业：
    • Ayar Labs、Nubis、Celestial AI、Lightmatter、Xscape Photonics、Ranovus、Scintil等企业也在积极布局CPO解决方案。

• 关键供应链组件：

  • 激光光源：如NVIDIA CPO方案中采用的外部激光源。
  • 光引擎（OE）：集成于计算或交换芯片中，负责电光转换。
  • 光纤耦合器：包括FAU、边缘耦合器、光栅耦合器等。
  • 调制器类型：包括MZM、MRM、EAM等，各具特点。
  • SerDes技术：短距离SerDes用于CPO，减少能耗。

CPO的未来展望

• 技术路线图：

  • CPO技术将通过提升波特率、采用DWDM、增加光纤对数及优化调制方式，实现更高效的带宽扩展。
  • 与DSP收发器相比，CPO能提供更优的能效与带宽密度，但需解决供应链和制造瓶颈。

• 市场接受度：

  • CPO的市场接受度仍受限于成本、可维护性和可靠性问题。
  • Meta和博通等企业在实验室环境下已展示CPO的可靠性，但仍需更多现场测试。

• 行业趋势：

  • 随着AI和HPC对带宽和密度的需求不断增长，CPO将成为未来互连技术的主流。
  • 铜缆技术在短期内仍具优势，但其传输距离限制将促使行业转向CPO。

总结

CPO技术代表了下一代互连技术的突破，尤其在纵向扩展网络中展现出巨大潜力。尽管其在横向扩展场景中成本和功耗优势有限，但随着供应链的逐步成熟和制造工艺的进步，CPO有望在未来几年内成为数据中心互连的重要组成部分。CPO的核心价值在于其能效和带宽密度，但要实现大规模部署仍需克服制造、维护和标准化等多重挑战。