邁向光纖到芯片技術的飛躍——釋放光電共封裝（CPO）和玻璃波導基板的潛力

  數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡正在快速發(fā)展，而隨著AI的興起與AI集群的大規(guī)模部署，這一發(fā)展勢頭進一步加速。近期，該領域進展顯著，英偉達DGX SuperPOD架構與谷歌TPU集群的部署尤為引人注目。這種轉變源于對支持AI訓練和推理任務的高性能計算的需求。預計在未來五年內(nèi)，僅英偉達一家公司每年就將出貨數(shù)百萬臺專為AI優(yōu)化的GPU單元，到2028年將形成極大的規(guī)模。

  構建這些網(wǎng)絡所需的收發(fā)器單元數(shù)量將達到每年數(shù)千萬臺量級，且這些設備需要運行在1.6Tbps、3.2Tbps等最高速率水平。根據(jù)行業(yè)分析師的預測，未來每個加速器(GPU)將配備10個以上的收發(fā)器，這意味著相較于當前部署水平，光纖連接需求將增加約10倍。

  在典型的數(shù)據(jù)中心中，一個標準的可插拔以太網(wǎng)收發(fā)器消耗約20瓦電力。預計下一代收發(fā)器的能耗將幾乎翻倍。根據(jù)目前的出貨量估算，2024年用于驅動收發(fā)器的電力部署約為200兆瓦(MW)。根據(jù)收發(fā)器的發(fā)展軌跡以及預期將增長10倍的光連接需求，收發(fā)器的電力部署預計將增至每年2吉瓦(GW)，相當于一坐大型核電站的發(fā)電量。這其中不包括驅動主機端電子設備、電重定時器所需的電力，用于將數(shù)據(jù)從集成電路傳輸?shù)皆O備前端的收發(fā)器。

  以一座配備一百萬塊GPU的AI數(shù)據(jù)中心為例，引入CPO技術可為該數(shù)據(jù)中心節(jié)省約150兆瓦的發(fā)電容量需求。除了減少建設相應發(fā)電設施所需的投資成本外，這項技術還能顯著降低運營成本——根據(jù)地區(qū)能源價格差異，每年節(jié)省的電費開支有望輕松突破1億歐元。而在中國，隨著‘東數(shù)西算’工程推進，超算中心(如無錫神威·太湖之光)、智算中心(如北京、深圳AI算力集群)對高帶寬、低功耗光互連的需求激增，CPO技術有望成為國產(chǎn)GPU降耗增效的關鍵。面對這種不可持續(xù)的能耗發(fā)展趨勢，創(chuàng)新變得至關重要。

  CPO技術的引入

  CPO是短期內(nèi)最有可能突破上述能耗瓶頸的技術。這項技術將電光轉換模塊的位置從前面板的收發(fā)器轉移到設備內(nèi)部，最理想的情況下直接集成到CPU或GPU的封裝基板上。這樣可以最大限度地降低銅通道上的電力損耗，從而形成更高能效的鏈路，與可插拔收發(fā)器相比，功耗可降低50%以上，在某些情況下甚至高達75%。其節(jié)能優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在減少高損耗銅通道的使用，還通過簡化甚至省去用于補償電信號傳輸損耗的數(shù)字信號處理器(DSP)來實現(xiàn)。這項技術帶來的次級效應是改善延遲情況，因為通過CPO模塊傳輸?shù)男盘枌崿F(xiàn)無誤通信所需的預處理和后處理步驟大大減少?？偟貋碚f，CPO技術能提供高速、低功耗和低延遲的光連接。這些特性正是先進AI網(wǎng)絡的關鍵所在。

  另一種值得關注的節(jié)能替代方案是線性驅動可插拔光模塊(LPO)，它通過去除DSP芯片，在保持前面板可插拔收發(fā)器形態(tài)與生態(tài)系統(tǒng)的同時，降低了功耗和延遲。雖然CPO能夠提供更好的信號完整性和更低的延遲，但LPO方案更具性價比，尤其適合短距離應用場景。LPO的高性價比和低功耗優(yōu)勢，加之快速上市準備能力，可能會延緩CPO技術的大規(guī)模普及。不過，當鏈路速率提升至200G或更高水平時，LPO相較CPO會消耗更多電力，且在確保高信號質(zhì)量方面的管理難度顯著增加，預計隨著技術的不斷進步，CPO將成為未來的首選解決方案。

  玻璃為CPO技術賦能

  玻璃有望在下一代CPO技術中發(fā)揮重要作用。為了使電光轉換器(主要是硅光芯片)盡可能靠近實際使用的硅處理器(CPU和GPU)，我們還需要一種新型封裝技術，這種技術不僅支持較大的基板尺寸，還要能夠與硅光芯片實現(xiàn)光連接。

  按照傳統(tǒng)，半導體封裝主要采用有機基板。這類材料的熱膨脹系數(shù)高于硅，因而限制了半導體封裝的最大尺寸。隨著業(yè)界不斷推動在現(xiàn)有有機技術平臺上采用更大尺寸的封裝基板，可靠性問題(如焊點完整性問題、分層風險加劇)以及制造端難題(如高質(zhì)量細間距互連結構和高密度布線)日益突出，導致封裝和測試成本持續(xù)攀升，而通過優(yōu)化設計，玻璃可以實現(xiàn)與硅芯片更為匹配的熱膨脹系數(shù)，相比之下優(yōu)于傳統(tǒng)的有機基板。這種經(jīng)特殊加工的玻璃基板因此展現(xiàn)出卓越的熱穩(wěn)定性，在溫度波動時能夠降低機械應力和損壞風險。其優(yōu)異的機械強度和平整度為芯片封裝可靠性提供了堅實保障。此外，玻璃基板能夠支持更高的互連密度和更細間距的互連，從而提升電氣性能并減少寄生效應。這些特性使得玻璃成為先進半導體封裝領域高度可靠且精準的選擇。因此，半導體封裝行業(yè)正在大力發(fā)展先進玻璃基板技術，將其打造為下一代基板技術。

  玻璃波導基板

  除了優(yōu)異的熱學性質(zhì)和機械性能外，玻璃還能通過特殊處理實現(xiàn)光波導功能。玻璃中的光波導通常通過名為離子交換的工藝來實現(xiàn)：使用鹽溶液中的不同離子替換玻璃中的離子，由此改變玻璃的折射率。通過將光限制在折射率更高的區(qū)域內(nèi)，改性區(qū)域可對光進行引導。這項技術能夠精確調(diào)節(jié)波導特性，使其適用于多種光學應用場景。因此，在類似光纖結構的光波導中，光可以沿著集成玻璃波導傳播，并高效耦合進入光纖或硅光子芯片。這使得玻璃成為先進CPO應用中極具吸引力的材料選擇。

  在同一基板上集成電氣與光學互連，還有助于解決企業(yè)在構建大型AI集群時遇到的互連密度難題。目前，光通道數(shù)量受到光纖幾何構造的限制——常規(guī)光纖包層直徑為127微米，約人類發(fā)絲粗細。而玻璃波導機構能夠實現(xiàn)更密集排布，相較直接光纖到芯片的連接方式，這種波導技術可以顯著提升輸入/輸出(I/O)密度。

  電氣和光學互連的集成不僅解決了密度問題，還提升了AI集群的整體性能和可擴展性。借助玻璃波導的緊湊特性，可以在相同的物理空間內(nèi)容納更多的光通道，進而增強系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸容量與效率。這項進步對于推動下一代AI基礎設施建設至關重要——在AI系統(tǒng)需要處理海量數(shù)據(jù)的應用場景下，高密度互連技術是實現(xiàn)高效管理的關鍵。

  通過集成玻璃波導，可以在同一基板上構建完整的光學系統(tǒng)，使光子集成電路能夠直接通過光波導進行通信。這一過程無需借助光纖互連，可顯著提升芯片間通信帶寬和覆蓋范圍。在具有眾多互連組件的高密度系統(tǒng)中，相較于離散光纖，使用玻璃光波導可以實現(xiàn)更低的信號損耗、更高的帶寬密度以及更高的耐用性。這些優(yōu)勢使得玻璃波導成為高性能光學互連系統(tǒng)的理想選擇。

  在下一代數(shù)據(jù)中心和AI超級計算機網(wǎng)絡中應用CPO技術，可提升芯片逃逸帶寬，為實現(xiàn)102T及以上高速、高基數(shù)交換機開辟更多可能。網(wǎng)絡架構師們正迎來重新構思與設計網(wǎng)絡架構的獨特機遇。得益于帶寬的增加和網(wǎng)絡架構的簡化，他們將能夠實現(xiàn)更優(yōu)的網(wǎng)絡性能表現(xiàn)，從而推動運營效率提升與流程優(yōu)化。

  寫在最后

  CPO技術有望從多個層面徹底改變AI的互連架構。它能夠顯著降低能耗并提升可持續(xù)性，使AI系統(tǒng)更加環(huán)保且更具成本效益。此外，CPO可提升AI系統(tǒng)效率和可擴展性，使系統(tǒng)能夠輕松處理規(guī)模更大、復雜度更高的任務。通過解決密度問題，CPO可提升數(shù)據(jù)傳輸速率，確保AI組件間實現(xiàn)更快、更可靠的通信。這也有助于減少未來AI系統(tǒng)中出現(xiàn)的瓶頸問題，確保更順暢、更高效的系統(tǒng)運行。

  未來的AI互連有望引入直接光鏈路技術，從而省去計算交換機環(huán)節(jié)。這項創(chuàng)新將拓寬AI任務的帶寬，提升大型數(shù)據(jù)集的處理速度和效率。玻璃因其卓越的數(shù)據(jù)傳輸能力和可擴展性，成為實現(xiàn)這些技術進步的理想材料。基于玻璃的光鏈路將成為下一代AI系統(tǒng)的關鍵支撐，為高性能計算和先進AI應用構建不可或缺的基礎設施體系。

  作者：Andreas Matiss 康寧光通信光學元件與集成高級經(jīng)理