探索共封装光学：技术优势、应用场景与发展困境

共封装光学 (CPO) 是一种极具创新性的解决方案，旨在通过将通信所需的关键元件，即光学及电子元件，更紧密地结合在一起，有效解决当今数据密集网络中日益凸显的带宽密度、增长、通信时延、铜线传输距离以及电源效率等诸多挑战。

当前行业内采用了光互连输入输出 (OIO) 和 CPO 等不同术语，容易造成概念混淆，特别是近封装光学 (NPO) 常被错误地等同于 CPO。实际上，CPO 与 OIO 的发展趋势一致，都是朝着基于芯粒的技术迈进，将光学器件集成在 3D 集成电路 (3D - IC) 封装中。

可插拔光收发器等

在高分辨率视频流、虚拟现实、物联网 (IoT)、高性能计算 (HPC) 以及人工智能和机器学习 (AI/ML) 等新兴技术的推动下，全球网络和数据中心对数据的需求呈现出爆炸式增长。这就要求网络必须具备更高的带宽、更低的延迟和功耗。

光学技术最初主要应用于远距离通信领域，但随着可插拔光收发器的出现，其带宽密度在机架之间和机架内部得到了显著提升，光学技术也逐渐渗透到近距离通信的数据中心。尽管这些收发器的速率已从 100G 提升到 400G、800G 和 1.6T，但在更高速度下，尤其是在 AI 等数据密集型应用中，其功耗问题变得愈发突出。此外，“可插拔件” 的带宽可扩展性和封装形式，也对 6.4T 和 12.8T 等未来大容量网络的发展构成了限制。

为了应对这些挑战，行业正积极投入资源研发 CPO 和 OIO 技术，推出新一代解决方案以满足新兴应用和未来大容量网络的需求。各联盟、多供应商之间达成协议，并与电气与电子工程师协会 (IEEE) 和光学互联论坛 (OIF) 等标准机构展开协作，致力于实现 CPO 解决方案规范的统一。

获得共封装光学的优势

与可插拔光学器件相比，共封装光学具有显著优势。美国博通 (Broadcom) 和思科 (Cisco) 的早期 CPO 解决方案表明，其功耗可节省 30 - 50%，互连功耗约低于 1pJ/bit。Ayar Labs 展示了在 5pJ/bit 下实现 16Tbps 的双向吞吐量。CPO 主要通过以下几种方式实现节能：

●避免铜线损耗：CPO 设计无需信号从专用集成电路 (ASIC) 芯片通过耗能的铜线穿过电路板到达前面板，而是将光纤直接引入交换机，实现芯片和光学引擎之间的低损耗近距离通信。

●减少数字信号处理器 (DSP)：在当前速度超过 25G / 信道的架构中，基于 DSP 的重定时器是可插拔光学器件中的必要组件，但会使系统功耗增加 25 - 30%。CPO 消除了 ASIC 和光学器件之间的片外铜线损耗，设计人员可以省去一个 DSP 电平，从而节省功耗并降低成本。

●集成型激光器：对于激光器光源的布置，有外部激光器和集成到芯片上两种方式。外部激光器需通过光纤传输光信号并耦合到 CPO 中，通常会产生 30 - 50% 的光功率损耗；而将激光器直接集成到芯片上，在热管理和可靠性满足要求的情况下，能提供更高的光耦合效率。

●高带宽和低延迟：CPO 能够实现更高的带宽和更低的时延，主要原因在于减少了 DSP 的使用，并且取消了长铜线。因为 DSP 等模块以及铜线中的寄生电路会带来信号延迟，而 CPO 解决方案则有效避免了这些问题。

应用共封装光学

CPO 主要应用于连接数据中心服务器的前端网络，凭借其高带宽、低时延和高能效的优势，有望推动新一代光学以太网技术的发展。同时，光学行业正在研究一种由 OIO 支持的新架构，即 AI 后端网络，以应对 AI/ML 工作负载的需求。

在计算方面，传统的孤岛式HPC架构缺乏灵活的资源分配，加上数据传输速率的长期限制，造成了明显的带宽容量瓶颈以及工作负载多样性处理效率低下的问题。随着中央处理单元（CPU）和图形处理单元（GPU）处理速度突飞猛进，现有的I/O基础设施难以跟上步伐，导致处理单元频繁等待数据，效率低下。

随着AI/ML工作负载的需求不断升级，这种困境日益严峻，因而需要一种具有高速、低延迟、无损数据传输和可扩展性等特点的网络结构。而这就是OIO的意义所在，其将彻底改变现状。不断发展的HPC分解式架构通过将内存、计算和存储分离到由尖端OIO互连的集群中，努力克服了“孤立”模式带来的限制。这一战略性转变可实现动态资源分配，解决传统架构在处理各种数据中心工作负载时的低效率问题。

然而，共封装光学技术在发展过程中也面临着一些挑战：

●供应商束缚：交换机和光学器件由同一厂商提供，超大规模设备可能缺乏灵活性和自由度。一旦对特定厂商的生态系统进行了大规模投资，在过渡到其他供应商的产品时会遇到诸多困难，限制了组件的切换和升级能力。

●可靠性和现场可维护性：可插拔器件具有高度模块化的特点，发生故障时可快速更换，且可通过任何厂商进行更换。而在 CPO 中，更换光学器件需要拔出整个交换机，需要专业知识才能完成相关服务任务。为应对这一挑战，一些 CPO 设计将激光器等高风险有源组件分解到更易于现场更换的远程可插拔模块上，同时其他机构也在研究可插拔光连接器。

●热管理：在电气封装中布置光子集成电路 (PIC) 会增加热串扰的风险。光子裸片中热源和激光光源的热功率会影响封装的温度分布，电气裸片产生的热量和整个系统的散热机制也会影响 PIC 的热行为。因此，需要从裸片到系统层面进行全面的热分析。

●信号完整性和功率完整性：为确保信号和电源的完整性，需要对整个系统进行瞬态仿真。这不仅需要自洽的电气和光子电路仿真，还需要考虑封装阶段引入的不同类型电气互连带来的额外寄生效应。

●可扩展性和带宽密度：由于光纤通常采用边缘耦合方式，CPO 和 OIO 的关键指标之一是沿芯片边缘的带宽密度。最小光纤间距要求限制了给定基板尺寸下的光纤数量，扇出成为边缘耦合解决方案的固有挑战。目前，一些解决方案正在研究中，如使用 V 形槽垂直定向光纤以避免扇出，以及基于光栅的微透镜耦合等创新技术。

●光纤连接：将光信号从光纤阵列高效耦合到封装是一项极具挑战性的任务，需要考虑光纤对齐、倾斜、结构与热管理、可制造性和可维护性等多个因素。设计人员需要仔细建模并优化光耦合设计。

●可制造性和可测试性：为了使设计具有商业可行性，需要实现低成本和高收益。在多厂商供应链中，稳定的质量和有效的测试程序至关重要，并且随着需求和投资的增加，这些方面也需要不断发展。

从市场趋势来看，芯粒技术可能会在 CPO 的应用过程中发挥重要作用，甚至加速其推广。芯粒是小型单裸片，可共封装以作为单个芯片运行，实现从片上系统到封装中芯片系统的转变。通过 3D - IC 技术，半导体行业正在提高集成密度，未来有望实现多裸片芯粒 CPO，其中 OIO 和 ASIC 通过极低功耗和极高带宽的芯片间通信进行 3D 集成。这将带来更复杂的设计，对多物理场和电磁 (EM) 仿真的需求也会相应增加。此外，线性驱动可插拔光学 (LPO) 技术也在发展，它通过从可插拔光学器件中移除 DSP 来实现节能，与 CPO 一样，都在探索如何改善可插拔器件的外形尺寸和性能。

要满足市场期望并赢得最终用户对 CPO 可行性的信心，必须展示强大的多供应商业务模式，并显著节省成本和能耗。光学界需要解决 IP 模块和光学接口标准等关键问题，供应链中所有参与者的协作至关重要。建立生态系统并非一蹴而就，需要一定的时间和努力。然而，随着 AI/ML 等大型应用的兴起，竞争已经拉开帷幕。