芯片巨頭的“新”戰場(chǎng)

　　在今年的光纖通信會(huì )議(OFC) 會(huì )議上，光電共封(CPO)成為芯片廠(chǎng)商的一大熱議話(huà)題，博通、Marvell介紹了各家的采用光電共封裝技術(shù)的51.2Tbps的交換機芯片，思科也展示了其CPO技術(shù)的實(shí)現可行性原理，在光電共封技術(shù)的支持下，一個(gè)交換機的新時(shí)代正在來(lái)臨!這對于光電共封技術(shù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的進(jìn)步，也足以表明利用光來(lái)移動(dòng)數據的前景確實(shí)是光明的。

　　這個(gè)賽道也成為了芯片巨頭的新戰場(chǎng)。

　　光電共封迎來(lái)大的推動(dòng)力

　　這一波的光電共封器件很大的推動(dòng)者是數據中心的公有云供應商，隨著(zhù)AI/ML(人工智能/機器學(xué)習)、高分辨率視頻流和虛擬現實(shí)等更高帶寬應用的出現，網(wǎng)絡(luò )流量持續增長(cháng)，數據中心網(wǎng)絡(luò )承受的壓力也在不斷增加，諸如谷歌、Meta、亞馬遜、微軟或阿里巴巴等，他們每家都部署了數萬(wàn)臺交換機，而且正在推動(dòng)數據速率從100GbE向400GbE和800GbE更高速的數據鏈路的方向發(fā)展，這將消耗更多的電力來(lái)通過(guò)銅纜傳輸數據。

　　作為交換機的大腦——交換機芯片，在過(guò)去多年來(lái)主要有兩大長(cháng)期發(fā)展趨勢：

　　一，大約每?jì)赡暌淮?，交換機芯片的帶寬會(huì )翻一番，這也很好的遵循了摩爾定律。

　　二，為了支持總交換機芯片帶寬的增加，Serdes的速度、數量和功率也在隨之增加，SerDes的速度從10 Gbit/sec增加到112 Gbit/sec，芯片周?chē)腟erDes數量從64通道增加到51.2 Tbps一代的512通道。SerDes功率成為系統總功率的很大一部分。

　　當下交換機之間所采用的方案大都是可插拔的光學(xué)器件，雖然可以很容易地更換或換成更高容量的，但這也意味著(zhù)在交換機芯片和光學(xué)器件接口之間有幾英寸的銅，而且由于所需的電氣和光學(xué)密度、熱問(wèn)題和功耗，當前可插拔光學(xué)器件也面臨著(zhù)容量難擴展的制約。于是，業(yè)界開(kāi)始探索提高數據中心效率的新方法，光電共封(CPO)成為一個(gè)有利的選擇!

　　光電共封裝(Co-Packaged Optics，簡(jiǎn)稱(chēng)CPO)是一種新型的光電子集成技術(shù)，它將光學(xué)器件(如激光器、調制器、光接收器等)封裝在芯片級別上，直接與芯片內的電路相集成，借助光互連以提高通信系統的性能和功率效率。共同封裝光學(xué)器件的一項關(guān)鍵創(chuàng )新是將光學(xué)器件移動(dòng)到離 Switch ASIC 裸片足夠近的位置，以便移除這個(gè)額外的DSP(見(jiàn)下圖)。借助CPO，網(wǎng)絡(luò )交換機系統中的光接口從交換機外殼前端的可插拔模塊轉變?yōu)榕c交換機芯片組裝在同一封裝中的光模塊。

　　基于這種封裝模式，光電共封(CPO)技術(shù)的優(yōu)勢盡顯：

　　增強性能： CPO可以將光學(xué)元件直接嵌入芯片中，使得光學(xué)元件與芯片內部電路的距離更近，減小了電信號的延遲和失真，提高了通信系統的性能。

　　節省空間： CPO可以大大減小光模塊的尺寸，尤其是在高密度數據中心環(huán)境下，可以將更多的端口裝在相同大小的機柜中。

　　降低功耗： CPO可以減少能量轉換的步驟，從而降低了功耗。與傳統的光模塊相比，CPO在相同數據傳輸速率下可以減少約50%的功耗。

　　提高可靠性： CPO可以提高光學(xué)和電子之間的互聯(lián)可靠性，并減少外部干擾。同時(shí)，由于CPO是在芯片級別上封裝的，所以也能夠提高整個(gè)系統的可靠性。

　　降低成本： CPO可以減少芯片與光模塊之間的連接器數量，從而降低了生產(chǎn)成本。此外，CPO的小尺寸和低功耗也能夠降低運營(yíng)成本。

　　正因為此，使得越來(lái)越多的芯片廠(chǎng)商、光通信廠(chǎng)商和研究機構都在積極研究和使用光電共封技術(shù)。

　　CPO的商業(yè)化雛形，在交換機市場(chǎng)中顯現

　　博通

　　博通(Broadcom)涉足光電領(lǐng)域大約在1990年，1995年，Broadcom推出了其第一款光電收發(fā)器，這是該公司進(jìn)入光電領(lǐng)域的開(kāi)端。此后博通進(jìn)行了一系列收購，1998年收購了光通信設備制造商Epigram;2000年，Broadcom收購了另一家光通信設備制造商Luminent;2016年，Broadcom收購了從事光電器件和模塊研發(fā)的BroadLight。

　　可以說(shuō)，通過(guò)不斷收購，高通進(jìn)一步加強了其在光電領(lǐng)域的研發(fā)能力，博通也開(kāi)發(fā)出了電子、光學(xué)和創(chuàng )新封裝架構 (SCIP™) 。養兵千日，如今，博通正將其在光電領(lǐng)域的技術(shù)積累應用到交換機產(chǎn)品中。

　　博通在2023年光纖通信會(huì )議(OFC) 上談到了其最新的交換機產(chǎn)品——Broadcom Tomahawk StrataXGS 5，它在單個(gè)單片芯片中提供 51.2 Tbps 的以太網(wǎng)交換容量。如下圖所示，該交換機值得一提的地方是，Tomahawk 5采用了光電共封裝的技術(shù)，它將交換機芯片和100G PAM4接口共同封裝在一起，這種新芯片能夠減少將信號驅動(dòng)到交換機前端的可插拔光學(xué)器件的需求，大大降低了功耗。相比于Tomahawk 4 Humboldt 25.6T  6.4W的功率，該交換機僅需要5.5W的功率為800Gbps的流量供電。博通稱(chēng)，由于采用了光電共封(CPO)的光學(xué)技術(shù)，該芯片能將光學(xué)連接所需的功率降低50%以上。

　　51.2Tbps交換機中有一個(gè)新的交換芯片，這是一款5nm工藝的單片芯片，它搭載了六個(gè)Arm處理器核心，交換機上還支持VxLAN單通道以及PTP和SyncE等特性，可提供多達64個(gè)800GbE、128個(gè)400GbE、256個(gè)200GbE或512個(gè)100GbE鏈路。實(shí)際上，這些交換芯片是為了100GbE以上速率的交換機而設計的。博通表示，一臺新的Tomahawk 5交換機可以有效地取代48臺2014年代的Tomahawk 1交換機。

　　除了交換機芯片之外，博通還有光電共封的收發(fā)器產(chǎn)品。它也采用了博通的硅光子芯片封裝 (SCIP™) 技術(shù)。

博通的光電共封收發(fā)器

（圖源：博通）

　　Marvell

　　Marvell Teralynx 10交換機是另一款專(zhuān)為800GbE時(shí)代設計的51.2T交換機，該交換機由Marvell的Teralynx 10 51.2 Tbps交換芯片和 PAM4 1.6 Tbps 光電平臺 Nova組成。Teralynx 品牌來(lái)自Marvell-Innovium的收購。

　　Marvell Teralynx 10芯片跟博通的一樣，也是一款可編程5nm單片交換機芯片，具有512個(gè)112G SerDes，能滿(mǎn)足32 x 1.6T、64 x 800G和128 x 400G廣泛的交換機配置。按照Marvell的說(shuō)法，一個(gè)Teralynx 10取代了12個(gè)12.8 Tbps一代，而且在同等容量下能減少80%的功耗。

（圖源：Marvell）

　　Teralynx 10使用了Teralynx 獨有的通用超低延遲開(kāi)關(guān)和緩沖結構,還支持擁塞感知路由和實(shí)時(shí)流遙測，使網(wǎng)絡(luò )能夠自動(dòng)調整和自我修復。借助線(xiàn)速可編程性，可以添加新的協(xié)議和功能來(lái)滿(mǎn)足AI/ML不斷變化的需求。Teralynx 10 支持廣泛的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )遙測，包括 P4 帶內網(wǎng)絡(luò )遙測 (INT)。這些功能支持預測分析、更快的問(wèn)題解決和更高程度的自動(dòng)化。

（圖源：Marvell）

　　這款新的交換機芯片可以減少AI/ML等分布式應用程序在網(wǎng)絡(luò )上花費的時(shí)間，最大限度地提高計算利用率，并滿(mǎn)足人工智能和機器學(xué)習不斷增長(cháng)的帶寬需求。它適用于下一代數據中心網(wǎng)絡(luò )中的枝葉和主干應用程序，以及 AI/ML 和高性能計算 (HPC) 結構。Teralynx 10將在第二季度提供樣品。

　　思科

　　思科也在進(jìn)行光電共封技術(shù)的探索，其正在和芯片制造商Inphi之間基于CPO的交換機/光學(xué)解決方案的合作，為下一代 51.2 Tb/s交換機和800 Gb/s可插拔設備開(kāi)發(fā)聯(lián)合封裝光學(xué)器件 (CPO)。

　　在本次OFC 2023上，思科也演示了CPO技術(shù)實(shí)現的可行性具體步驟。思科指出，其Cisco 8111-32EH是一種傳統的32端口2x400G 1RU路由器，基于Cisco Silicon One G100 ASIC的2x400G-FR4可插拔光學(xué)模塊(64x400G FR4)。思科CPO路由器配備了完整的協(xié)同封裝的基于硅光子學(xué)的光學(xué)tiles，驅動(dòng)64x400G FR4，也基于帶CPO襯底的思科Silicon One G100 ASIC。思科還發(fā)明了一種在硅光子IC上執行此復用器/解復用器的創(chuàng )新方法。思科預計試驗部署與 51.2Tb 交換機周期同時(shí)進(jìn)行，隨后在 101.2Tb 交換機周期內更大規模地采用。

思科在OFC 2023 CPO演示的128x400G FR4 機箱配置（圖源：思科博客）

　　英特爾

　　在光電共封這一技術(shù)上，英特爾是資深的玩家之一。2015年宣布推出其co-package photonic技術(shù)。為了提供經(jīng)濟高效的互連解決方案，英特爾一直在增加其硅光子學(xué)的帶寬，并在不斷探索使用一體封裝的光學(xué)器件。

　　2019年，Intel收購了以太網(wǎng)交換機芯片和數據中心軟件領(lǐng)域的新興領(lǐng)軍企業(yè)Barefoot Networks，2020年3月，英特爾展示了12.8 Tb/s Barefoot Tofino 2交換機與1.6 Tb/s集成光子引擎共同封裝的方案，硅光互連平臺采用1.6 Tbps光子引擎，在Intel硅光平臺上設計和制造，可提供4個(gè)400GBase-DR4 接口。英特爾表示，使用一體封裝的光學(xué)器件，可將光學(xué)端口置于在同一封裝內的交換機附近，從而可降低功耗，并繼續保持交換機帶寬的擴展能力。英特爾還表示，其51.2 Tb/s解決方案應該可以在2023年底進(jìn)行商業(yè)部署，

（圖源：英特爾）

　　CPU和GPU廠(chǎng)商的試煉

　　相信英特爾如此致力于硅光研究不是僅僅為了能與交換機新芯片共連，未來(lái)光學(xué)器件如果能否與CPU、GPU或XPU集成在一起也不得而知。

　　我們看到，英特爾花費了很大的心力，從多種路徑進(jìn)行對光互聯(lián)技術(shù)的支持。2022年6月30日，英特爾研究院展示了完全集成在硅晶圓上的八波長(cháng)分布式反饋(DFB)，激光器陣列，該陣列輸出功率均勻性達到+/- 0.25分貝(dB)，波長(cháng)間隔均勻性到達±6.5%，這項最新的光電共封裝解決方案使用了密集波分復用(DWDM)技術(shù)，展現了在增加帶寬的同時(shí)顯著(zhù)縮小光子芯片尺寸的前景。而且更重要的是，它是在英特爾的商用300 mm混合硅光子平臺設計和制造的，因此，它為下一代光電共封裝和光互連器件的量產(chǎn)提供了一條清晰的路徑。

　　在2022年英特爾On峰會(huì )上，英特爾又展示了其正在開(kāi)發(fā)的一項創(chuàng )新：在可插拔式光電共封裝(pluggable co-package photonics)解決方案上的突破。英特爾的研究人員設計了一種堅固的、高良率的、玻璃材質(zhì)的解決方案，它通過(guò)一個(gè)可插拔的連接器簡(jiǎn)化了制造過(guò)程，降低了成本，為未來(lái)新的系統和芯片封裝架構開(kāi)啟了全新可能。

英特爾可插拔連接器

（圖源：英特爾）

　　英偉達也看中了光互連的潛力，互連的 GPU 將受益于低延遲數據傳輸和顯著(zhù)減少的信號損失。Nvidia或將在下一代 NVSwitch上實(shí)施聯(lián)合封裝光學(xué)器件以實(shí)現節點(diǎn)間通信，這些系統應該在互連的NVLink 網(wǎng)絡(luò )中支持約4,000個(gè)GPU。

英偉達展示光學(xué)鏈接GPU系統的外觀(guān)

（圖源：英偉達）

　　英偉達正在集各方之力推動(dòng)這一技術(shù)的實(shí)施。據臺媒報道，業(yè)內消息人士透露，臺積電參與了由Nvidia牽頭的研發(fā)項目，該項目將其稱(chēng)為 COUPE(緊湊型通用光子引擎)的硅光子 (SiPh) 集成技術(shù)用于圖形硬件，以組合多個(gè) AI GPU。

　　在2023年的OFC會(huì )上，Ayar Labs展示了業(yè)界首個(gè)4太比特/秒(Tbps)雙向波分復用(WDM)光學(xué)解決方案。而NVIDIA 的加速計算平臺正是由WDM光學(xué)互連等先進(jìn)技術(shù)支持，英偉達希望通過(guò)光互連為AI提供“下一個(gè)百萬(wàn)倍”加速。Nvidia還參與了Ayar Labs去年的C輪融資，當時(shí)它籌集1.3億美元用于開(kāi)發(fā)其帶外激光器和硅光子互連。兩家公司計劃共同加速光學(xué)I/O技術(shù)的開(kāi)發(fā)和采用，以支持 AI 和機器學(xué)習 (ML) 應用程序和數據量的爆炸式增長(cháng)。

　　光電共封技術(shù)商業(yè)化還有諸多挑戰

　　但是，光電共封技術(shù)要獲得大規模的商業(yè)化還需要解決多個(gè)挑戰，它必須可靠、可維修、可部署、可顯著(zhù)節能并且具有成本效益。雖然光互連有望讓芯片間的帶寬達到更高水平，特別是在數據中心內部，但制造上的困難使其成本高昂到難以承受。

　　挑戰一，CPO技術(shù)嚴重依賴(lài)于硅光子學(xué)技術(shù)， 需要將光學(xué)元件小型化以適應 ASIC 封裝(體積比傳統 QSFP-DD 或 OSFP 模塊小 100 多倍)。我們看到，專(zhuān)有的CPO方案首先出現在Broadcom、Intel、Marvell和其他一些公司，這些供應商大多已經(jīng)收購或與創(chuàng )新的硅光子公司合作。他們在這一技術(shù)上的積累和努力，使得CPO的商業(yè)化漸漸成為可能。

　　另一方面，隨著(zhù)光學(xué)和硅芯片的高度集成，新的工程能力和晶圓代工廠(chǎng)將是非常需要的。

　　在這方面，格芯是一個(gè)比較具有前瞻的代工廠(chǎng)。自從退出芯片先進(jìn)制程的追逐后，格芯一直在探索其他技術(shù)，硅光子正是格芯押注大籌碼的一項技術(shù)。2015 年格芯收購了IBM Microelectronics 的一部分，因此也從IBM Research 獲得了光子學(xué)專(zhuān)業(yè)知識和知識產(chǎn)權。2016年，格芯就推出了其第一代硅光子平臺，并在同年創(chuàng )建了一個(gè)獨立的硅光子業(yè)務(wù)。當時(shí)帶寬的行業(yè)標準是僅為40 GB/s。格芯打賭未來(lái)行業(yè)將不得不利用光的力量在全球各地涌現的數據中心內部和之間移動(dòng)大量數據。事實(shí)證明，確實(shí)如此，如今數據中心的帶寬已來(lái)到400 GB/s和800 GB/s的數據速率。

　　GF Fotonix 是格芯為硅光子芯片打造的一個(gè)整體的平臺，這也是業(yè)界唯一的硅光子大批量 300mm CMOS制造代工廠(chǎng)。 根據格芯的介紹，該平臺將光子元件與高性能CMOS邏輯和RF集成在一起，以實(shí)現完全集成的單片電氣和光學(xué)計算和通信引擎，同時(shí)針對低信號損耗降級進(jìn)行了優(yōu)化。此外，格芯單片硅光子平臺的光輸入和光輸出可通過(guò)高密度光纖陣列、片上集成激光器和銅金屬化實(shí)現與其他半導體芯片的 2.5D 和 3D 異構集成。

位于紐約馬耳他的Fab8是格芯GF Fotonix芯片的生產(chǎn)地

　　芯片巨頭如Broadcom、思科、Marvell和NVIDIA以及Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus 和 Xanadu 在內的光子計算領(lǐng)域的廠(chǎng)商都與格芯有著(zhù)密切的交流合作。此外，EDA軟件廠(chǎng)商Ansys、Cadence和Synopsys等也正在提供支持基于集成硅光子學(xué)的芯片和小芯片的設計工具。

　　寫(xiě)在最后

　　總而言之，光電共封的解決方案確實(shí)使得新一代的交換機與前幾代相比發(fā)生了很大的突破，但是如文中所述，CPO要成為主流還有諸多因素要克服，據Yole分析師的說(shuō)法，盡管CPO具有技術(shù)優(yōu)勢，但它將很難與可插拔模塊競爭，在很長(cháng)一段時(shí)間內，可插拔模塊仍將是首選?？刹灏?、OBO和CPO將共存一段時(shí)間。

圖源：Yole

　　現在，光學(xué)器件可以與以太網(wǎng)交換機芯片共同封裝，未來(lái)，它能否與CPU、GPU或XPU集成在一起也或許是一個(gè)探究方向。在摩爾定律動(dòng)力不足的情況下，光電共封這項技術(shù)正在嶄露其潛力，從另一條新道路上來(lái)滿(mǎn)足當下數據量蓬勃發(fā)展的處理需求。而且很重要的一個(gè)趨勢是，主要的芯片巨頭們都在排兵布陣，光電共封技術(shù)正在向我們走進(jìn)。