在高速數(shù)據(jù)傳輸中，銅電路信號(hào)衰減和失真會(huì)隨著電路長(zhǎng)度的增加而增加。然而，硅光子學(xué)的快速發(fā)展和新一代共封裝光學(xué)(CPO)技術(shù)使設(shè)計(jì)者能夠?qū)⒉煌酒苯影惭b在一個(gè)共同基板上，節(jié)省功率和擴(kuò)大帶寬。
高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M(jìn)展速度一直很快而迅猛。設(shè)計(jì)工程師決心找到超越傳統(tǒng)銅互連帶寬限制方法，同時(shí)降低功耗。不斷發(fā)展的大數(shù)據(jù)應(yīng)用，包括：人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、高清視頻和未來的自主交通，正在給數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施帶來巨大壓力。因此為了滿足日益增長(zhǎng)的需求，全球投入數(shù)十億美元進(jìn)行相關(guān)研究。
高性能交換機(jī)和路由器芯片是當(dāng)今超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的核心。隨著序列化器/反序列化器(SerDes)速度從28 Gb/s推高到56 Gb/s，甚至到112 Gb/s，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換容量顯著增加。2023年3月，博通成為第一個(gè)宣布生產(chǎn)51.2 Tb/s轉(zhuǎn)換芯片的公司。
目前交換機(jī)封裝技術(shù)采用了可插拔光收發(fā)器，這CPO技術(shù)在過去20年里經(jīng)歷了大幅度性能改進(jìn)。其中最先進(jìn)模塊，包括CFP2、QSFP-DD和OSFP，可以提供高達(dá)800 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。這些模塊提供易于升級(jí)和更換、自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)管理、多種模式、可選擇操作頻帶等，全球供應(yīng)鏈成熟。
安裝在交換機(jī)或路由器面板上的插座和CPO模塊
目前市場(chǎng)上可插拔模塊形式較多，給設(shè)計(jì)師提供了更多I/O選擇和靈活性，包括銅和光纖。新的應(yīng)用不斷推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)突破極限。
可插拔光收發(fā)器將傳入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖。這些信號(hào)通過銅線纜連接到交換機(jī)主板上，并傳送到交換機(jī)ASIC芯片上。這種安排的問題是，隨著數(shù)據(jù)速率增加，銅電路引入的信號(hào)衰減和失真隨著電路長(zhǎng)度的增加而增加。
為了補(bǔ)償這種衰減，需要更多電源功率。當(dāng)需要需要越來越多信號(hào)時(shí)，增加的電力需求就會(huì)達(dá)到很高水平。
另一個(gè)問題是，1RU面板上的可用空間有限，未來交換機(jī)可能沒有足夠空間來安裝所需數(shù)量的可插拔收發(fā)器。設(shè)計(jì)師可以選擇2RU封裝，但這將限制可以安裝在機(jī)架上的設(shè)備數(shù)量。
共封裝光學(xué)(CPO)正在被提出，作為這一問題的長(zhǎng)期解決方案。目前正在做的幾個(gè)臨時(shí)步驟，包括車載光學(xué)和近封裝光學(xué)，但硅光子學(xué)的快速發(fā)展使其能夠?qū)⒉煌酒苯影惭b在一個(gè)共同襯底上。
光纖不是在前置面板上進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，而是直接被帶到一個(gè)基板上，它有一系列的“chicklet”光學(xué)模塊排列在開關(guān)ASIC周圍。
CPO技術(shù)模塊和開關(guān)之間極短的連接電氣路徑
在與開關(guān)相同的基板上CPO光源，電信號(hào)路徑減少到最短，最大限度地減少了由于CPO應(yīng)用材料損耗和功率需求而造成的失真和衰減。
來自轉(zhuǎn)換ASIC的電信號(hào)通過光集成電路(PICs)轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，并耦合到光纖上。這些光纖端接安裝在I/O面板高密度光連接器上。
CPO應(yīng)用光源位置的轉(zhuǎn)變是一個(gè)重要議題。一種做法是將激光和光模塊都定位在基板上，使CPO模塊成為一個(gè)獨(dú)立組件。單個(gè)激光可以支持多個(gè)chicklet，或者每個(gè)chicklet可以有自己的激光�，F(xiàn)場(chǎng)可更換嵌套激光器可以讓模塊在出現(xiàn)故障時(shí)繼續(xù)工作。這兩種方法都會(huì)產(chǎn)生與高功率激光器的熱問題。在這種CPO技術(shù)配置中需要考慮液體冷卻。
另一種方法是使用CPO技術(shù)非模塊激光光源。外部安裝的CPO應(yīng)用激光器可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)車載光源，但增加了連接器的可靠性問題。
光互聯(lián)論壇(OIF)已經(jīng)成為CPO技術(shù)的推動(dòng)者，并正在積極地創(chuàng)建急需的標(biāo)準(zhǔn)。2022年2月，OIF發(fā)布了一份初步的共封裝框架實(shí)現(xiàn)協(xié)議，其目標(biāo)是確定關(guān)鍵的CPO應(yīng)用，并定義它們的需求，從而使創(chuàng)建互操作性標(biāo)準(zhǔn)成為可能。光模塊套件、熱管理、激光類型、激光安全、芯片封裝選項(xiàng)、電氣和光學(xué)預(yù)算、可修復(fù)性和可制造性等，都是我們需要討論的議題。
該CPO應(yīng)用方案的獨(dú)特方面是推薦在面板上安裝一個(gè)可插拔的外部激光光源。外部激光的可插拔形狀(ELSFP)類似于傳統(tǒng)的小型CPO可插拔模塊。將CPO激光器定位在外部，可以更有效地管理由此產(chǎn)生的熱量，同時(shí)提供一種快速和簡(jiǎn)單的方法應(yīng)對(duì)CPO激光陳列熱交換失敗。通用的外部CPO激光器模塊還可以靈活地適應(yīng)未來的高性能迭代。外部CPO激光源還能解決潛在的眼睛危險(xiǎn)。
標(biāo)準(zhǔn)化光學(xué)模塊chicklet和外部光學(xué)模塊的概念為CPO應(yīng)用模塊的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可制造和可擴(kuò)展的解決方案。
2023年3月，OIF宣布了3.2 Tb模塊1.0標(biāo)準(zhǔn)，定義了3.2 Tb/s復(fù)合光收發(fā)器的CPO技術(shù)規(guī)范，以此為基礎(chǔ)，提出減少51.2 Tb/s開關(guān)功耗，以及ASIC附近配置16個(gè)模塊的CPO應(yīng)用解決方案。
2023年8月8日，OIF宣布了外部激光可插拔(ELSFP)協(xié)議，這代表了支持CPO技術(shù)的又一個(gè)重要步驟。
CPO技術(shù)應(yīng)用還遠(yuǎn)未達(dá)成協(xié)議。現(xiàn)有系統(tǒng)CPO應(yīng)用技術(shù)與目標(biāo)還有很大差距。如果CPO激光光源失效，有關(guān)ELSEP的可靠性和恢復(fù)問題仍然沒有解決。CPO收發(fā)器模塊是否應(yīng)該被嵌套起來，這是否會(huì)導(dǎo)致另一種故障?關(guān)于CPO架構(gòu)的可制造性，還存在其它問題。當(dāng)工程師們找到成本更低的方法來使用傳統(tǒng)的CPO可插拔收發(fā)器，并能支持51.2甚至10個(gè)2.4Tb的交換機(jī)時(shí)，CPO技術(shù)會(huì)遭受延遲發(fā)展嗎?
CPO可插拔式光收發(fā)器繼續(xù)發(fā)展。2個(gè)定義OSFP-XP可插拔產(chǎn)品的規(guī)范于2023年3月發(fā)布，專門針對(duì)51.2 Tb交換機(jī)。線性直接可插拔收發(fā)器隨著降低功耗、延遲和成本承諾而受到關(guān)注。
鑒于在硅光子學(xué)方面的巨大投資，以及預(yù)計(jì)開關(guān)速度將繼續(xù)由人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的需求驅(qū)動(dòng)，我們預(yù)計(jì)CPO技術(shù)最終將成為下一代系統(tǒng)中最具成本效益的封裝技術(shù)。只有當(dāng)傳統(tǒng)的替代方案不能在經(jīng)濟(jì)上提供所需的性能水平時(shí)，預(yù)計(jì)這才會(huì)發(fā)生。 |
