【獨(dú)家】面向下一代數(shù)據(jù)中心的光電合封技術(shù)分析

（CWW）算力作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代新的生產(chǎn)力，在推動(dòng)科技進(jìn)步、促進(jìn)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型以及支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。而數(shù)據(jù)中心作為算力的物理承載，是數(shù)字化發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。

(相關(guān)資料圖)

近年來(lái)，我國(guó)數(shù)據(jù)中心機(jī)架規(guī)模持續(xù)穩(wěn)步增長(zhǎng)，按照2.5kW標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架統(tǒng)計(jì)，截止到2021年底，我國(guó)在用數(shù)據(jù)中心機(jī)架規(guī)模達(dá)到520萬(wàn)架，近5年年均復(fù)合增速超過(guò)30%。但數(shù)據(jù)中心對(duì)電力等能源消耗巨大，近5年我國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量保持15%以上的平均增長(zhǎng)率，2020年耗電量突破2×1011kW·h，占全國(guó)總用電量的2.7%。在我國(guó)“雙碳”目標(biāo)、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略以及“十四五”規(guī)劃等政策背景下，應(yīng)加快數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)綠色低碳發(fā)展的探索步伐。

建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心需要從降低能耗和高效散熱兩個(gè)方面入手。在能耗方面，從2010年到2022年，數(shù)據(jù)中心交換芯片發(fā)展了7代、帶寬提升80倍，系統(tǒng)總功耗提升22倍，其中光模塊、SerDes功耗增加顯著超過(guò)其他部分。從業(yè)界的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，光電合封（CPO）可以明顯降低設(shè)備能耗，加之液冷散熱可以大幅提升散熱效率，二者共同運(yùn)用可滿足數(shù)據(jù)中心機(jī)房PUE≤1.5的能效標(biāo)準(zhǔn)。

光電合封成為綠色數(shù)據(jù)中心重要發(fā)展方向

CPO是將光引擎或電引擎與專用集成電路（ASIC）連接在同一基板上，有望提供高帶寬互連，并顯著降低功耗。通過(guò)將光引擎放置在靠近主機(jī)ASIC的位置，CPO可以最大限度地減少高速電通道損耗和阻抗不連續(xù)性，從而實(shí)現(xiàn)更高速度、更低功耗的I/O驅(qū)動(dòng)。CPO相較于可插拔模塊，帶寬密度可提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，能量效率可優(yōu)化40%以上。CPO數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)于2022年正式起步，出貨量將主要為800G和1.6T端口，預(yù)計(jì)到2027年CPO端口占比接近30%。

業(yè)界普遍認(rèn)為CPO大量部署還需要3~5年。隨著基礎(chǔ)200G/400G以太網(wǎng)的成熟穩(wěn)定及商用部署，CPO技術(shù)預(yù)計(jì)優(yōu)先在交換機(jī)側(cè)實(shí)現(xiàn)商用，之后擴(kuò)展至服務(wù)器側(cè)，并可能有AOC和CPO技術(shù)混合存在的時(shí)間段。CPO的潛在切入點(diǎn)是葉脊結(jié)構(gòu)交換機(jī)，這類(lèi)交換機(jī)在其所有下行鏈路上均需要單模光學(xué)器件，并且可以完全部署光學(xué)器件。能夠提供4~8個(gè)400G BASE-DR4和FR4鏈路的光引擎，這將是與51.2Tbit/s交換機(jī)結(jié)合使用的CPO的理想目標(biāo)。而脊上行鏈路可能需要相干光學(xué)，這將推動(dòng)CPO和可插拔光學(xué)混合型的交換機(jī)架構(gòu)發(fā)展。

光電合封發(fā)展現(xiàn)狀

硅光集成是主流方案，外置光源為當(dāng)前研究熱點(diǎn)

目前報(bào)道的技術(shù)方案主要為VCSEL陣列方案和硅光集成方案。IBM公司早期對(duì)基于VCSEL陣列方案的多路并行光互連展開(kāi)了大量的研究工作。然而，伴隨著VCSEL調(diào)制速率的提升，芯片可靠性下降。在56GBaud速率，尚沒(méi)有穩(wěn)定可靠的大規(guī)模集成VCSEL陣列。因此，基于VCSEL陣列方案的多路并行光互連研究大幅減少。硅光集成技術(shù)在近年來(lái)成為CPO光引擎的主要方案。硅光不需要?dú)饷芊庋b，CMOS兼容更易與電芯片集成，且硅光調(diào)制器和探測(cè)器均可支持56GBaud以上速率。

在集成光子技術(shù)方案中，光源集成一直是核心挑戰(zhàn)之一。硅、氮化硅、二氧化硅均為間接帶隙材料，較難實(shí)現(xiàn)電致激射，需要通過(guò)其他方式引入光源。光源的放置方式有兩種：一是光源與調(diào)制器進(jìn)行片上集成，稱為“光源內(nèi)置”；二是將光源獨(dú)立封裝，光源耦合到光通路后再耦合調(diào)制器，稱為“光源外置”。光源內(nèi)置方案存在可靠性問(wèn)題，故障率的要求值需比現(xiàn)有技術(shù)能提供的值低至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，較難實(shí)現(xiàn)?？紤]到在沒(méi)有激光器的情況下，硅基集成光路具有很高可靠性，因此適合將容易出問(wèn)題的激光器解耦出去。外置光源方式可降低光收發(fā)單元的熱量，從而降低光模塊的功耗，這是目前各家廠商比較傾向的放置方式。該技術(shù)目前仍然存在一些挑戰(zhàn)，包括端到端耦合效率低、保偏光纖成本增加、光互連工程難度提升以及大功率激光燒纖等問(wèn)題。

行業(yè)積極發(fā)展勢(shì)頭明顯，產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步提升

近3年，硅光CPO樣機(jī)相繼發(fā)布。OFC 2020會(huì)議上，CPO首次作為熱點(diǎn)詞匯之一引起關(guān)注。業(yè)界對(duì)此主題存在分歧，討論者分成了3個(gè)陣營(yíng)。支持CPO/硅光的陣營(yíng)聚集在Facebook、Microsoft和Intel周?chē)?，阿里巴巴為可插拔光學(xué)器件提供了有力的例證，而IBM支持基于VCSEL的CPO。在這次會(huì)議上，Intel推出首款CPO樣機(jī)，由1.6Tbit/s的硅光引擎與12.8Tbit/s的可編程以太網(wǎng)交換機(jī)集成。Intel預(yù)計(jì)未來(lái)5年內(nèi)可插拔向CPO轉(zhuǎn)變，以支持新的51.2Tbit/s交換節(jié)點(diǎn)。OFC 2021會(huì)議上，Ranovus發(fā)布了Odin品牌模擬驅(qū)動(dòng)CPO2.0架構(gòu)，該架構(gòu)由Ranovus、IBM、TE以及Senko共同合作開(kāi)發(fā)。相較于CPO1.0，CPO2.0通過(guò)去除再定時(shí)功能和IC有效的單裸芯片方案節(jié)省了40%的功耗及成本，實(shí)現(xiàn)了更小的尺寸。OFC 2022會(huì)議上，Marvell展示了其首款CPO樣機(jī)，帶寬為1.6Tbit/s，未來(lái)將支持51.2Tbit/s的交換機(jī)芯片。Ranovus基于AMD的Xilinx計(jì)算加速平臺(tái)進(jìn)行CPO2.0的聯(lián)合展示。2022年9月Broadcom和騰訊達(dá)成戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，將提供25.6Tbit/s CPO交換機(jī)，以促進(jìn)高帶寬CPO網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)用于云基礎(chǔ)設(shè)施。2023年OFC上，Broadcom推出51.2Tbit/s的硅光交換機(jī)芯片?？傮w來(lái)看，終端用戶、設(shè)備制造商以及光器件供應(yīng)商均涉足其中，形成了初步的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

未來(lái)CPO市場(chǎng)前景廣闊，在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模部署的進(jìn)程中將伴隨產(chǎn)業(yè)模式的轉(zhuǎn)型。Yole數(shù)據(jù)顯示，2020年CPO市場(chǎng)產(chǎn)生的收入約為600萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到2032年將達(dá)到22億美元，2020—2032年復(fù)合年增長(zhǎng)率為65%。該技術(shù)的發(fā)展需要構(gòu)建新的戰(zhàn)略伙伴關(guān)系和產(chǎn)業(yè)模式，以解決用戶需求、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性問(wèn)題。未來(lái)幾年，CPO的技術(shù)規(guī)范以及商業(yè)和供應(yīng)鏈模型應(yīng)該會(huì)更加清晰。

標(biāo)準(zhǔn)化工作有序進(jìn)行，國(guó)內(nèi)外均取得初步成果

2020年，業(yè)界開(kāi)始對(duì)發(fā)展CPO標(biāo)準(zhǔn)形成共識(shí)。標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展與技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展密切相關(guān)，美國(guó)、中國(guó)及歐洲率先開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化工作。光互聯(lián)論壇（OIF）、板載光學(xué)聯(lián)盟（COBO）、聯(lián)合開(kāi)發(fā)基金會(huì)（JDF）、國(guó)際光電委員會(huì)（IPEC）、中國(guó)計(jì)算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA）等標(biāo)準(zhǔn)組織針對(duì)CPO作了一系列的部署。

2020年11月，OIF批準(zhǔn)啟動(dòng)CPO框架實(shí)施協(xié)議傘形項(xiàng)目，項(xiàng)目主要內(nèi)容為：確定光電合封技術(shù)的應(yīng)用及其要求，研究并確定與CPO相關(guān)的關(guān)鍵問(wèn)題，針對(duì)互操作性標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成協(xié)議，發(fā)布技術(shù)白皮書(shū)，開(kāi)展適當(dāng)?shù)暮罄m(xù)標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)。2021年3月啟動(dòng)的用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部交換應(yīng)用的3.2Tbit/s CPO模塊項(xiàng)目，是該框架項(xiàng)目下啟動(dòng)的第一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目的實(shí)施協(xié)議已于2022年2月發(fā)布。2021年5月啟動(dòng)的外部激光小型可插拔(ELSFP)模塊項(xiàng)目，作為配套項(xiàng)目支持CPO應(yīng)用，旨在研究外置光源模塊的封裝形式、封裝尺寸以及連接方式等。

COBO于2020年10月成立了CPO工作組，立項(xiàng)研究光電合封技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)。COBO在51.2Tbit/s交換機(jī)PCB上采用光電合封光學(xué)器件，并發(fā)布一份白皮書(shū)，包括采用光電合封光學(xué)器件的交換機(jī)PCB技術(shù)規(guī)范和應(yīng)用說(shuō)明。2022年，COBO發(fā)布CPO交換機(jī)設(shè)計(jì)白皮書(shū)，內(nèi)容包括CPO交換機(jī)系統(tǒng)、光引擎接口、板上連接、激光器、面板設(shè)計(jì)、光學(xué)測(cè)試、冷卻系統(tǒng)等內(nèi)容。

Microsoft以及Facebook等公司宣布在JDF中成立CPO工作組，聚焦于3.2Tbit/s光模塊以及外置光源方面的研究工作。該組織發(fā)布了3.2Tbit/s CPO產(chǎn)品需求、CPO外部激光器、CPO組件等3個(gè)白皮書(shū)。

IPEC在OIF的51.2Tbit/s CPO討論期間，發(fā)現(xiàn)了很多的技術(shù)難題，于2022年1月在先進(jìn)技術(shù)研究工作組中啟動(dòng)OIO/CPO研究項(xiàng)目。目前先進(jìn)技術(shù)組正在起草100Tbit/s及以上OIO標(biāo)準(zhǔn)研究報(bào)告，封裝組正在起草OIO可插拔外部光源實(shí)施協(xié)議。中科院計(jì)算所牽頭成立的CCITA于2021年5月立項(xiàng)研究交換機(jī)芯片光IO與網(wǎng)卡控制芯片光IO，并于2022年12月發(fā)布《微電子芯片光互連接口技術(shù)》團(tuán)標(biāo)。

總結(jié)展望

業(yè)界普遍認(rèn)為CPO是下一代板上光互連的主流解決方案，目前CPO的研究聚焦51.2Tbit/s交換機(jī)，預(yù)計(jì)大量商用的時(shí)間點(diǎn)在3~5年后。系統(tǒng)將向更高集成度演進(jìn)，硅光方案是CPO的主要方案，外置光源為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。CPO將帶來(lái)光通信產(chǎn)業(yè)規(guī)模提升并伴隨重大產(chǎn)業(yè)模式變革，不過(guò)產(chǎn)業(yè)對(duì)于CPO的態(tài)度尚未達(dá)成一致。國(guó)內(nèi)外CPO標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程基本相近，均已初步完成規(guī)格草案的撰寫(xiě)。CPO仍有許多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，面臨可靠性挑戰(zhàn)以及相干、線性驅(qū)動(dòng)可插拔等其他技術(shù)擠壓，需要業(yè)界的探索以及合作，共建完善的CPO技術(shù)、產(chǎn)業(yè)與標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)。

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