Broadcom 正在计划推出共同封装的光学器件。其中包括速度为 51.2Tbps 的新型 Broadcom Tomahawk 5 Bailly 芯片。由于需要降低数据中心内的比特/焦耳成本，同时提高速度和可靠性，共同封装的光开关被视为潜在的阶跃函数创新。这就是 Broadcom 的项目如此令人兴奋的原因。
这是OFC 2023发布的新型共封装光学芯片。这是一块Broadcom Tomahawk 5 51.2Tbps 交换芯片，板载八个 64 通道硅光子引擎。
这种新芯片能够以 5.5W 的功率为 800Gbps 的流量供电，减少了将信号驱动到交换机前端的可插拔光学器件的需要。对于某些参考框架，Tomahawk 4 Humboldt 25.6T 联合封装光学平台对于 800Gbps 链路的功率约为 6.4W。
我们在 2022 年 OCP 峰会上看到了 Broadcom Tomahawk 5。这里的主要进步是共同封装光学器件。移除可插拔光学器件的主要挑战之一是现状易于维护和改变。例如，如果需要更长的链路，可以插入更长距离的光学器件。对于较短距离的运行，可以使用DAC或AOC 。
我们已经看到英特尔和 AMD 等公司讨论了未来在芯片上共同封装光学器件的需求。
同时，这个赛道也成为了芯片巨头的新战场。
01
什么是光电共封（CPO）？
CPO，英文全称 Co-packaged optics，共封装光学/光电共封装。CPO是将交换芯片和光引擎共同装配在同一个Socketed（插槽）上，形成芯片和模组的共封装。
NPO / CPO 是将网络交换芯片和光引擎（光模块）进行“封装”的技术。
传统的连接方式，叫做 Pluggable（可插拔）。光引擎是可插拔的光模块。光纤过来以后，插在光模块上，然后通过 SerDes 通道，送到网络交换芯片（AISC）。
CPO 呢，是将交换芯片和光引擎共同装配在同一个 Socketed（插槽）上，形成芯片和模组的共封装。
NPo 是将光引擎与交换芯片分开，装配在同一块 PCB 基板上。
CPO 是终极形态，NPO 是过渡阶段。NPO 更容易实现，也更具开放性。
随着产业数字化转型不断深入，算力应用需求呈现出超大带宽、低时延、灵活连接、低能耗等特征，光通信网络将聚焦超大容量传输、全光组网、开放自智、光子集成等热点技术革新发展，协同增强网络运力，助力数字经济加速发展。
随着5G时代高带宽的计算、传输、存储的要求，以及硅光技术的成熟，板上和板间也进入了光互连时代，通道数也大幅增加，封装上要将光芯片或光模块与ASIC控制芯片封装在一起，以提高互连密度，从而提出了光电共封装的相关概念。
02
光电共封迎来大的推动力
这一波的光电共封器件很大的推动者是数据中心的公有云供应商，随着AI/ML（人工智能/机器学习）、高分辨率视频流和虚拟现实等更高带宽应用的出现，网络流量持续增长，数据中心网络承受的压力也在不断增加，诸如谷歌、Meta、亚马逊、微软或阿里巴巴等，他们每家都部署了数万台交换机，而且正在推动数据速率从100GbE向400GbE和800GbE更高速的数据链路的方向发展，这将消耗更多的电力来通过铜缆传输数据。
作为交换机的大脑——交换机芯片，在过去多年来主要有两大长期发展趋势：
一，大约每两年一次，交换机芯片的带宽会翻一番，这也很好的遵循了摩尔定律。
二，为了支持总交换机芯片带宽的增加，Serdes的速度、数量和功率也在随之增加，SerDes的速度从10 Gbit/sec增加到112 Gbit/sec，芯片周围的SerDes数量从64通道增加到51.2 Tbps一代的512通道。SerDes功率成为系统总功率的很大一部分。
当下交换机之间所采用的方案大都是可插拔的光学器件，虽然可以很容易地更换或换成更高容量的，但这也意味着在交换机芯片和光学器件接口之间有几英寸的铜，而且由于所需的电气和光学密度、热问题和功耗，当前可插拔光学器件也面临着容量难扩展的制约。于是，业界开始探索提高数据中心效率的新方法，光电共封（CPO）成为一个有利的选择！
光电共封装（Co-Packaged Optics，简称CPO）是一种新型的光电子集成技术，它将光学器件（如激光器、调制器、光接收器等）封装在芯片级别上，直接与芯片内的电路相集成，借助光互连以提高通信系统的性能和功率效率。共同封装光学器件的一项关键创新是将光学器件移动到离 Switch ASIC 裸片足够近的位置，以便移除这个额外的DSP。借助CPO，网络交换机系统中的光接口从交换机外壳前端的可插拔模块转变为与交换机芯片组装在同一封装中的光模块。
基于这种封装模式，光电共封（CPO）技术的优势尽显：
增强性能：CPO可以将光学元件直接嵌入芯片中，使得光学元件与芯片内部电路的距离更近，减小了电信号的延迟和失真，提高了通信系统的性能。
节省空间：CPO可以大大减小光模块的尺寸，尤其是在高密度数据中心环境下，可以将更多的端口装在相同大小的机柜中。
降低功耗：CPO可以减少能量转换的步骤，从而降低了功耗。与传统的光模块相比，CPO在相同数据传输速率下可以减少约50%的功耗。
提高可靠性：CPO可以提高光学和电子之间的互联可靠性，并减少外部干扰。同时，由于CPO是在芯片级别上封装的，所以也能够提高整个系统的可靠性。
降低成本：CPO可以减少芯片与光模块之间的连接器数量，从而降低了生产成本。此外，CPO的小尺寸和低功耗也能够降低运营成本。
正因为此，使得越来越多的芯片厂商、光通信厂商和研究机构都在积极研究和使用光电共封技术。
03
CPU和GPU厂商的试炼
相信英特尔如此致力于硅光研究不是仅仅为了能与交换机新芯片共连，未来光学器件如果能否与CPU、GPU或XPU集成在一起也不得而知。
我们看到，英特尔花费了很大的心力，从多种路径进行对光互联技术的支持。2022年6月30日，英特尔研究院展示了完全集成在硅晶圆上的八波长分布式反馈（DFB），激光器阵列，该阵列输出功率均匀性达到+/- 0.25分贝（dB），波长间隔均匀性到达±6.5%，这项最新的光电共封装解决方案使用了密集波分复用（DWDM）技术，展现了在增加带宽的同时显著缩小光子芯片尺寸的前景。而且更重要的是，它是在英特尔的商用300 mm混合硅光子平台设计和制造的，因此，它为下一代光电共封装和光互连器件的量产提供了一条清晰的路径。
在2022年英特尔On峰会上，英特尔又展示了其正在开发的一项创新：在可插拔式光电共封装（pluggable co-package photonics）解决方案上的突破。英特尔的研究人员设计了一种坚固的、高良率的、玻璃材质的解决方案，它通过一个可插拔的连接器简化了制造过程，降低了成本，为未来新的系统和芯片封装架构开启了全新可能。
英特尔可插拔连接器
英伟达也看中了光互连的潜力，互连的 GPU 将受益于低延迟数据传输和显着减少的信号损失。Nvidia或将在下一代 NVSwitch上实施联合封装光学器件以实现节点间通信，这些系统应该在互连的NVLink 网络中支持约4,000个GPU。
英伟达正在集各方之力推动这一技术的实施。据台媒报道，业内消息人士透露，台积电参与了由Nvidia牵头的研发项目，该项目将其称为 COUPE（紧凑型通用光子引擎）的硅光子 (SiPh) 集成技术用于图形硬件，以组合多个 AI GPU。
在2023年的OFC会上，Ayar Labs展示了业界首个4太比特/秒(Tbps)双向波分复用(WDM)光学解决方案。而NVIDIA 的加速计算平台正是由WDM光学互连等先进技术支持，英伟达希望通过光互连为AI提供“下一个百万倍”加速。Nvidia还参与了Ayar Labs去年的C轮融资，当时它筹集1.3亿美元用于开发其带外激光器和硅光子互连。两家公司计划共同加速光学I/O技术的开发和采用，以支持 AI 和机器学习 (ML) 应用程序和数据量的爆炸式增长。
04
光电共封技术商业化还有诸多挑战
但是，光电共封技术要获得大规模的商业化还需要解决多个挑战，它必须可靠、可维修、可部署、可显著节能并且具有成本效益。虽然光互连有望让芯片间的带宽达到更高水平，特别是在数据中心内部，但制造上的困难使其成本高昂到难以承受。
挑战一，CPO技术严重依赖于硅光子学技术，需要将光学元件小型化以适应 ASIC 封装（体积比传统 QSFP-DD 或 OSFP 模块小 100 多倍）。我们看到，专有的CPO方案首先出现在Broadcom、Intel、Marvell和其他一些公司，这些供应商大多已经收购或与创新的硅光子公司合作。他们在这一技术上的积累和努力，使得CPO的商业化渐渐成为可能。
另一方面，随着光学和硅芯片的高度集成，新的工程能力和晶圆代工厂将是非常需要的。
在这方面，格芯是一个比较具有前瞻的代工厂。自从退出芯片先进制程的追逐后，格芯一直在探索其他技术，硅光子正是格芯押注大筹码的一项技术。2015 年格芯收购了IBM Microelectronics 的一部分，因此也从IBM Research 获得了光子学专业知识和知识产权。2016年，格芯就推出了其第一代硅光子平台，并在同年创建了一个独立的硅光子业务。当时带宽的行业标准是仅为40 GB/s。格芯打赌未来行业将不得不利用光的力量在全球各地涌现的数据中心内部和之间移动大量数据。事实证明，确实如此，如今数据中心的带宽已来到400 GB/s和800 GB/s的数据速率。
GF Fotonix 是格芯为硅光子芯片打造的一个整体的平台，这也是业界唯一的硅光子大批量 300mm CMOS制造代工厂。根据格芯的介绍，该平台将光子元件与高性能CMOS逻辑和RF集成在一起，以实现完全集成的单片电气和光学计算和通信引擎，同时针对低信号损耗降级进行了优化。此外，格芯单片硅光子平台的光输入和光输出可通过高密度光纤阵列、片上集成激光器和铜金属化实现与其他半导体芯片的 2.5D 和 3D 异构集成。
芯片巨头如Broadcom、思科、Marvell和NVIDIA以及Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus 和 Xanadu 在内的光子计算领域的厂商都与格芯有着密切的交流合作。此外，EDA软件厂商Ansys、Cadence和Synopsys等也正在提供支持基于集成硅光子学的芯片和小芯片的设计工具。
最后
总而言之，光电共封的解决方案确实使得新一代的交换机与前几代相比发生了很大的突破，但是如文中所述，CPO要成为主流还有诸多因素要克服，据Yole分析师的说法，尽管CPO具有技术优势，但它将很难与可插拔模块竞争，在很长一段时间内，可插拔模块仍将是首选。可插拔、OBO和CPO将共存一段时间。
现在，光学器件可以与以太网交换机芯片共同封装，未来，它能否与CPU、GPU或XPU集成在一起也或许是一个探究方向。在摩尔定律动力不足的情况下，光电共封这项技术正在崭露其潜力，从另一条新道路上来满足当下数据量蓬勃发展的处理需求。而且很重要的一个趋势是，主要的芯片巨头们都在排兵布阵，光电共封技术正在向我们走进。
