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光電共封裝技術(shù)基礎(chǔ)原理

光電共封裝（Co-Packaged Optics，CPO）代表了光互連技術(shù)的新發(fā)展方向，這種技術(shù)將光學(xué)器件直接集成到電子線路的同一封裝內(nèi)。傳統(tǒng)光模塊依賴于通過(guò)各種接口連接的獨(dú)立組件，而CPO技術(shù)通過(guò)直接集成實(shí)現(xiàn)了在成本、功耗、可靠性和延遲方面的顯著改進(jìn)。

要理解CPO技術(shù)的重要性，需要首先認(rèn)識(shí)現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心面臨的根本挑戰(zhàn)。隨著人工智能工作負(fù)載和高性能計(jì)算應(yīng)用對(duì)帶寬需求的不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)銅互連達(dá)到了物理極限。從銅互連向光互連的轉(zhuǎn)變勢(shì)在必行，但關(guān)鍵問(wèn)題在于：這種轉(zhuǎn)變?cè)诮?jīng)濟(jì)和技術(shù)層面何時(shí)才具備合理性？

技術(shù)演進(jìn)與功效優(yōu)勢(shì)

向光互連的演進(jìn)遵循由功效要求驅(qū)動(dòng)的規(guī)律。Broadcom的分析顯示，不同光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不同級(jí)別的功耗水平，以每比特皮焦耳為計(jì)量單位?；?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的收發(fā)器目前消耗約15皮焦耳每比特，線性可插拔光學(xué)器件（LPO）將此降低到約10皮焦耳每比特。然而，CPO技術(shù)實(shí)現(xiàn)了6皮焦耳每比特的卓越表現(xiàn)，相比DSP收發(fā)器節(jié)省了2.5倍功耗。

圖1：顯示光互連在擴(kuò)展應(yīng)用中何時(shí)變得可行的時(shí)間軸圖表，按功耗和部署年份繪制各種技術(shù)

這種功效改進(jìn)源于CPO的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)可插拔光學(xué)器件需要在電信號(hào)和光信號(hào)之間進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換都會(huì)引入功耗損失和延遲。CPO通過(guò)將光學(xué)器件直接放置在電子處理單元旁邊，消除了許多轉(zhuǎn)換步驟，創(chuàng)造了更短的信號(hào)路徑并降低了功耗。

圖2：DSP可插拔（15 pJ/bit）、LPO可插拔（10 pJ/bit）和CPO（6 pJ/bit）技術(shù)的功耗詳細(xì)對(duì)比，顯示架構(gòu)差異

Broadcom TH5-Bailly實(shí)現(xiàn)方案

Broadcom的第二代CPO系統(tǒng)TH5-Bailly展示了CPO技術(shù)在大規(guī)模應(yīng)用中的實(shí)際實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)作為51.2太比特以太網(wǎng)交換機(jī)運(yùn)行，具備全光CPO連接能力，使用八個(gè)6.4太比特光引擎。每個(gè)光引擎包含64個(gè)通道，以FR4配置在100吉比特每秒速度下運(yùn)行，構(gòu)成了完整的光互連解決方案。

圖3：TH5-Bailly第二代CPO系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)，顯示集成光引擎和交換機(jī)架構(gòu)

這種實(shí)現(xiàn)的技術(shù)復(fù)雜性在檢查光引擎構(gòu)造時(shí)變得明顯。每個(gè)光引擎代表一個(gè)與CMOS電子集成線路（EIC）結(jié)合的光電子集成芯片（PIC），包含約1000個(gè)光學(xué)器件。這種集成水平需要精確的制造和封裝技術(shù)，推動(dòng)了當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)的邊界。

性能驗(yàn)證與可靠性測(cè)試

來(lái)自TH5-Bailly系統(tǒng)的實(shí)際性能數(shù)據(jù)證明了CPO技術(shù)的成熟度和可靠性。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了令人印象深刻的功效表現(xiàn)，在35攝氏度環(huán)境溫度下每800吉比特端口僅消耗5.5瓦特，在15攝氏度下消耗5.2瓦特。這些測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了理論功耗優(yōu)勢(shì)，同時(shí)證明了技術(shù)的實(shí)用可行性。

圖4：51.2 Tbps TH5-Bailly CPO系統(tǒng)的綜合性能測(cè)量，包括TDECQ傳輸性能、BER接收性能和數(shù)據(jù)流量性能

可靠性測(cè)試通過(guò)廣泛的資格認(rèn)證程序揭示了CPO技術(shù)的堅(jiān)固特性。系統(tǒng)經(jīng)歷了從負(fù)40到85攝氏度的熱循環(huán)、12G加速度的機(jī)械沖擊和振動(dòng)測(cè)試、在85攝氏度和85%相對(duì)濕度下1000小時(shí)的無(wú)偏濕熱暴露，以及粉塵暴露測(cè)試。值得注意的是，所有單元都通過(guò)了這些嚴(yán)格測(cè)試，插入損耗變化小于1分貝，展現(xiàn)了卓越的可靠性。

圖5：綜合CPO資格認(rèn)證測(cè)試結(jié)果，包括熱循環(huán)、機(jī)械沖擊、濕度暴露和粉塵測(cè)試，所有單元的插入損耗變化均小于1dB

長(zhǎng)期穩(wěn)定性與運(yùn)行表現(xiàn)

CPO技術(shù)最令人印象深刻的方面在于其長(zhǎng)期穩(wěn)定性特征。高溫工作壽命（HTOL）測(cè)試涵蓋了51個(gè)系統(tǒng)超過(guò)86556小時(shí)的總應(yīng)力測(cè)試，相當(dāng)于超過(guò)550萬(wàn)800吉比特端口小時(shí)的運(yùn)行。這一廣泛的測(cè)試計(jì)劃為技術(shù)在生產(chǎn)部署中的長(zhǎng)期可靠性提供了信心。

圖6：CPO HTOL總應(yīng)力測(cè)試摘要，顯示機(jī)架單元和中間卡系統(tǒng)86556小時(shí)，相當(dāng)于超過(guò)550萬(wàn)800G端口小時(shí)

穩(wěn)定性數(shù)據(jù)顯示了光學(xué)性能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的顯著一致性。發(fā)射和接收功率測(cè)量在1200小時(shí)連續(xù)運(yùn)行中顯示出小于1分貝的變化，而前向糾錯(cuò)（FEC）尾部分析證明了在整個(gè)測(cè)試期間沒(méi)有鏈路故障。

圖7：長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)量，顯示在1200小時(shí)運(yùn)行中發(fā)射和接收功率的變化均小于1dB

圖8：FEC尾部穩(wěn)定性分析，證明在1200小時(shí)連續(xù)運(yùn)行中沒(méi)有鏈路故障，直方圖顯示錯(cuò)誤分布

未來(lái)應(yīng)用與擴(kuò)展能力

CPO技術(shù)支持超越傳統(tǒng)交換機(jī)應(yīng)用的新架構(gòu)可能性。該技術(shù)可以支持XPU（加速器處理單元）光學(xué)連接，為交換機(jī)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接創(chuàng)建通用集成平臺(tái)。這種能力為更高效的AI和高性能計(jì)算集群設(shè)計(jì)開(kāi)辟了路徑。

圖9：CPO技術(shù)實(shí)現(xiàn)XPU光學(xué)連接的演示，顯示交換機(jī)CPO和計(jì)算節(jié)點(diǎn)CPO實(shí)現(xiàn)

CPO技術(shù)的最終愿景包括支持512個(gè)GPU全對(duì)全連接的單級(jí)擴(kuò)展Fabric。這種架構(gòu)使用64個(gè)高基數(shù)交換機(jī)，每個(gè)GPU通過(guò)CPO光學(xué)器件連接到所有交換機(jī)。這樣的配置能夠?qū)崿F(xiàn)超大規(guī)模擴(kuò)展域，光鏈路在單層中跨越5到30米，改變了大規(guī)模AI訓(xùn)練集群的構(gòu)建方式。

圖10：使用CPO技術(shù)支持512 GPU全對(duì)全連接的單級(jí)擴(kuò)展Fabric架構(gòu)，顯示物理和邏輯圖實(shí)現(xiàn)

CPO技術(shù)不僅僅是光互連的漸進(jìn)式改進(jìn)，而是從根本上改變了高帶寬連接的經(jīng)濟(jì)性和能力，使過(guò)去無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新架構(gòu)方法成為現(xiàn)實(shí)。隨著數(shù)據(jù)中心繼續(xù)向更高帶寬要求演進(jìn)，CPO為下一代計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施提供了基礎(chǔ)，能夠在超大規(guī)模下高效支持人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和高性能計(jì)算工作負(fù)載。