【獨家】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)濟時代新的生產(chǎn)力，在推動科技進步、促進行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型以及支撐經(jīng)濟社會發(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，我國數(shù)據(jù)中心機架規(guī)模持續(xù)穩(wěn)步增長，按照2.5kW標準機架統(tǒng)計，截止到2021年底，我國在用數(shù)據(jù)中心機架規(guī)模達到520萬架，近5年年均復(fù)合增速超過30%。但數(shù)據(jù)中心對電力等能源消耗巨大，近5年我國數(shù)據(jù)中心耗電量保持15%以上的平均增長率，2020年耗電量突破2×1011kW·h，占全國總用電量的2.7%。在我國“雙碳”目標、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功耗增加顯著超過其他部分。從業(yè)界的技術(shù)發(fā)展趨勢來看，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，二者共同運用可滿足數(shù)據(jù)中心機房PUE≤1.5的能效標準。

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。通過將光引擎放置在靠近主機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，從而實現(xiàn)更高速度、更低功耗的I/O驅(qū)動。CPO相較于可插拔模塊，帶寬密度可提升一個數(shù)量級，能量效率可優(yōu)化40%以上。CPO數(shù)據(jù)中心市場于2022年正式起步，出貨量將主要為800G和1.6T端口，預(yù)計到2027年CPO端口占比接近30%。

業(yè)界普遍認為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)計優(yōu)先在交換機側(cè)實現(xiàn)商用，之后擴展至服務(wù)器側(cè)，并可能有AOC和CPO技術(shù)混合存在的時間段。CPO的潛在切入點是葉脊結(jié)構(gòu)交換機，這類交換機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400G BASE-DR4和FR4鏈路的光引擎，這將是與51.2Tbit/s交換機結(jié)合使用的CPO的理想目標。而脊上行鏈路可能需要相干光學(xué)，這將推動CPO和可插拔光學(xué)混合型的交換機架構(gòu)發(fā)展。

光電合封發(fā)展現(xiàn)狀

硅光集成是主流方案，外置光源為當前研究熱點

目前報道的技術(shù)方案主要為VCSEL陣列方案和硅光集成方案。IBM公司早期對基于VCSEL陣列方案的多路并行光互連展開了大量的研究工作。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)在近年來成為CPO光引擎的主要方案。硅光不需要氣密封裝，CMOS兼容更易與電芯片集成，且硅光調(diào)制器和探測器均可支持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，較難實現(xiàn)電致激射，需要通過其他方式引入光源。光源的放置方式有兩種：一是光源與調(diào)制器進行片上集成，稱為“光源內(nèi)置”；二是將光源獨立封裝，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數(shù)量級，較難實現(xiàn)。考慮到在沒有激光器的情況下，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題。

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

近3年，硅光CPO樣機相繼發(fā)布。OFC 2020會議上，CPO首次作為熱點詞匯之一引起關(guān)注。業(yè)界對此主題存在分歧，討論者分成了3個陣營。支持CPO/硅光的陣營聚集在Facebook、Microsoft和Intel周圍，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。在這次會議上，Intel推出首款CPO樣機，由1.6Tbit/s的硅光引擎與12.8Tbit/s的可編程以太網(wǎng)交換機集成。Intel預(yù)計未來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。OFC 2021會議上，Ranovus發(fā)布了Odin品牌模擬驅(qū)動CPO2.0架構(gòu)，該架構(gòu)由Ranovus、IBM、TE以及Senko共同合作開發(fā)。相較于CPO1.0，CPO2.0通過去除再定時功能和IC有效的單裸芯片方案節(jié)省了40%的功耗及成本，實現(xiàn)了更小的尺寸。OFC 2022會議上，Marvell展示了其首款CPO樣機，帶寬為1.6Tbit/s，未來將支持51.2Tbit/s的交換機芯片。Ranovus基于AMD的Xilinx計算加速平臺進行CPO2.0的聯(lián)合展示。2022年9月Broadcom和騰訊達成戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，將提供25.6Tbit/s CPO交換機，以促進高帶寬CPO網(wǎng)絡(luò)交換機用于云基礎(chǔ)設(shè)施。2023年OFC上，Broadcom推出51.2Tbit/s的硅光交換機芯片?？傮w來看，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CPO市場前景廣闊，在實現(xiàn)大規(guī)模部署的進程中將伴隨產(chǎn)業(yè)模式的轉(zhuǎn)型。Yole數(shù)據(jù)顯示，2020年CPO市場產(chǎn)生的收入約為600萬美元，預(yù)計到2032年將達到22億美元，2020—2032年復(fù)合年增長率為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)濟可行性問題。未來幾年，CPO的技術(shù)規(guī)范以及商業(yè)和供應(yīng)鏈模型應(yīng)該會更加清晰。

標準化工作有序進行，國內(nèi)外均取得初步成果

2020年，業(yè)界開始對發(fā)展CPO標準形成共識。標準進展與技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進展密切相關(guān)，美國、中國及歐洲率先開展標準化工作。光互聯(lián)論壇（OIF）、板載光學(xué)聯(lián)盟（COBO）、聯(lián)合開發(fā)基金會（JDF）、國際光電委員會（IPEC）、中國計算機互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA）等標準組織針對CPO作了一系列的部署。

2020年11月，OIF批準啟動CPO框架實施協(xié)議傘形項目，項目主要內(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)鍵問題，針對互操作性標準達成協(xié)議，發(fā)布技術(shù)白皮書，開展適當?shù)暮罄m(xù)標準化活動。2021年3月啟動的用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部交換應(yīng)用的3.2Tbit/s CPO模塊項目，是該框架項目下啟動的第一個項目，該項目的實施協(xié)議已于2022年2月發(fā)布。2021年5月啟動的外部激光小型可插拔(ELSFP)模塊項目，作為配套項目支持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，立項研究光電合封技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容和標準。COBO在51.2Tbit/s交換機PCB上采用光電合封光學(xué)器件，并發(fā)布一份白皮書，包括采用光電合封光學(xué)器件的交換機PCB技術(shù)規(guī)范和應(yīng)用說明。2022年，COBO發(fā)布CPO交換機設(shè)計白皮書，內(nèi)容包括CPO交換機系統(tǒng)、光引擎接口、板上連接、激光器、面板設(shè)計、光學(xué)測試、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個白皮書。

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月在先進技術(shù)研究工作組中啟動OIO/CPO研究項目。目前先進技術(shù)組正在起草100Tbit/s及以上OIO標準研究報告，封裝組正在起草OIO可插拔外部光源實施協(xié)議。中科院計算所牽頭成立的CCITA于2021年5月立項研究交換機芯片光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)》團標。

總結(jié)展望

業(yè)界普遍認為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，預(yù)計大量商用的時間點在3~5年后。系統(tǒng)將向更高集成度演進，硅光方案是CPO的主要方案，外置光源為當前研究熱點。CPO將帶來光通信產(chǎn)業(yè)規(guī)模提升并伴隨重大產(chǎn)業(yè)模式變革，不過產(chǎn)業(yè)對于CPO的態(tài)度尚未達成一致。國內(nèi)外CPO標準進程基本相近，均已初步完成規(guī)格草案的撰寫。CPO仍有許多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，面臨可靠性挑戰(zhàn)以及相干、線性驅(qū)動可插拔等其他技術(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)與標準生態(tài)系統(tǒng)。

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