引領(lǐng)數(shù)據(jù)中心性能飛躍的CPO硅光技術(shù)
共封裝光學(xué)（Co-packaged Optics，縮寫為CPO）是一種新型的光學(xué)封裝技術(shù)，旨在將光學(xué)元件直接封裝在芯片內(nèi)部，可以順利獲得更短的光學(xué)路徑和更緊密的光學(xué)耦合實(shí)現(xiàn)更高效的光通信，同時(shí)也可以減少光學(xué)連接和對(duì)準(zhǔn)的復(fù)雜性，從而實(shí)現(xiàn)更高密度的光電集成和更高性能的光通信系統(tǒng)。
CPO硅光技術(shù)有利于減少高速電通的損耗和管控成本，具備高級(jí)程度的CPO技術(shù)正迎來其開展黃金期。
全球多家不同背景的大廠商已開始布局該領(lǐng)域研發(fā)。現(xiàn)在AWS、微軟、思科、博通、英偉達(dá)均在布局CPO技術(shù)和產(chǎn)品。比如：設(shè)備商思科和Juniper未來都將推出51.2T/s的CPO交換機(jī)；博通發(fā)布了基于光電共封裝（Co-Packaged Optics，CPO）技術(shù)的下一代交換機(jī)ASIC芯片的開展路線圖。國(guó)內(nèi)廠商銳捷網(wǎng)絡(luò)正式推出首款應(yīng)用CPO技術(shù)兼容液冷散熱模式的技術(shù)中心交換機(jī)。
現(xiàn)在，硅光技術(shù)有兩個(gè)主要開展路線：CPO（Co-Packaged Optics）光電共封裝和NPO（Near Packaged Optics）光電近封裝。這兩種方案都能夠在提升數(shù)據(jù)中心性能的同時(shí)顯著降低能耗并且?guī)椭髽I(yè)管控成本。
CPO 的出現(xiàn)主要是為分析決高頻電鏈接距離的問題。數(shù)據(jù)中心帶寬的增長(zhǎng)導(dǎo)致SerDes 速率不斷提升，功耗隨之增加。為了保障信號(hào)的高質(zhì)量傳輸，優(yōu)化 SerDes 功耗，信號(hào)傳輸距離將會(huì)相應(yīng)縮短，即交換芯片和光模塊之間的封裝距離需要進(jìn)一步縮短。除此之外，隨著數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量的不斷增長(zhǎng)，每根光纖的傳輸容量也在不斷提升，而數(shù)據(jù)中心光纖的單芯容量只有 100-400G，要做到大規(guī)模的數(shù)據(jù)吞吐意味著需要不斷增加通道的數(shù)量，CPO 可以提高集成度。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，順利獲得采用 CPO技術(shù)，光學(xué)連接所需的功率有望降低 50%以上。
CPO 作為新型光電子集成技術(shù)，基于先進(jìn)封裝技術(shù)將光收發(fā)模塊和控制運(yùn)算的ASIC 芯片異構(gòu)集成在一個(gè)封裝體內(nèi)，形成具有一定功能的微系統(tǒng)。先進(jìn)封裝技術(shù)是一種采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)思路和先進(jìn)的集成工藝技術(shù)，如硅通孔、重布線, 、倒裝、凸點(diǎn)、引線鍵合等對(duì)芯片進(jìn)行封裝級(jí)重構(gòu)，能有效提升功能密度。下游行業(yè)對(duì)高容量（更多通道更高速率）、低能耗、低成本、可靠性的追求，帶動(dòng)光模塊的光電互連封裝技術(shù)不斷創(chuàng)新演化。從最初的 AOC 有源光纜、可插拔光模塊，到 PCB 板載光模塊，到如今廣泛探討的 CPO 封裝，都是在適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量要求。
按照物理結(jié)構(gòu) CPO可分為 3 種技術(shù)形態(tài)：2D平面 CPO、2.5D CPO 和 3D CPO。
2D 封裝：是將 PIC 和集成電路并排放置在基板或 PCB 上，順利獲得引線或基板布線實(shí)現(xiàn)互連。2D 封裝的優(yōu)點(diǎn)是易于封裝、靈活性高，EIC 和 PIC 都可以使用不同的材料、利用不同的工藝單獨(dú)制作。
2.5D 封裝：是將 EIC 和 PIC 均倒裝在中介層（interposer）上，順利獲得 interposer上的金屬互連 PIC 和 EIC，interposer 再與下方的封裝基板或 PCB 板相連。
3D 封裝：順利獲得將光電芯片進(jìn)行垂直互連，可以實(shí)現(xiàn)更短的互連距離、更高的互連密度、更好的高頻性能、更低的功耗、更高的集成度以及更緊湊的封裝，是現(xiàn)在 CPO 技術(shù)研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。
2022 年博通首次推出了一款基于 3D 封裝的光引擎，它將 PIC 倒裝在 EIC 上方，EIC 與 ASIC 芯片順利獲得基板互連。將 25.6Tbps 的 Tomahawk 4 交換機(jī)芯片和 4 個(gè) CPO結(jié)構(gòu)的光引擎封裝在一起形成一個(gè)交換機(jī)，單個(gè) CPO 模塊支持 3.2Tbps，整個(gè)系統(tǒng)包含 4 個(gè) CPO 模塊，共有 12.8Tbps 的帶寬。博通稱采用 CPO 的結(jié)構(gòu)可以節(jié)約 40%的功耗和 40%的每比特成本。
散熱問題對(duì)于 CPO 來說具有重大挑戰(zhàn)。CPO 中放置光和電器件的空間十分狹小，并且光學(xué)器件對(duì)熱特別敏感。在 CPO 標(biāo)準(zhǔn)工作組所做的模擬仿真中，在風(fēng)速 5m/s的條件下，當(dāng)采用 16 個(gè)的 CPO 模塊和一個(gè)開關(guān)芯片模型設(shè)計(jì)時(shí)，開關(guān)芯片的溫度為 151.76℃，幾乎無法正常工作。
主流的熱可插拔模塊在維修時(shí)非常方便，但作為不可插拔的 CPO 封裝技術(shù)在維修時(shí)難度較高，因此測(cè)試、良率以及可靠性問題成為 CPO 產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。由于光芯片是直接與電芯片順利獲得先進(jìn)封裝工藝封裝在一起的，如果某顆芯片發(fā)生了損壞，整個(gè)模塊就無法正常工作，這不僅使良率下降，也給測(cè)試帶來了諸多困難。CPO 的光學(xué)器件具有不同于以往開發(fā)的任何子組件的通道密度，這意味著現(xiàn)有的測(cè)試解決方案不能滿足測(cè)試要求?？煽啃砸缶唧w包括使用壽命、故障率等方面，提高產(chǎn)品可靠性可以大幅降低后續(xù) CPO 的維護(hù)成本。
2020 年以來 CPO 逐漸從學(xué)術(shù)型研究成果轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)需求的產(chǎn)品。如英特爾、博通、美滿科技等行業(yè)內(nèi)龍頭企業(yè)均已推出多款基于 CPO 的量產(chǎn)產(chǎn)品，其他企業(yè)也在持續(xù)地布局相關(guān)產(chǎn)品，并推進(jìn) CPO 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。云服務(wù)廠商 Facebook 和 Microsoft創(chuàng)建了 CPO 聯(lián)盟，旨在打造一個(gè)平臺(tái)吸引各細(xì)分行業(yè)龍頭企業(yè)加入聯(lián)盟，有助于 CPO 標(biāo)準(zhǔn)的建立和產(chǎn)品的開展。
與國(guó)外相比，我國(guó)企業(yè)則普遍較晚進(jìn)入 CPO 領(lǐng)域，在產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度及技術(shù)研究方面存在明顯的差距。CCITA 牽頭的 CPO 標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前我國(guó)唯一原生的 CPO 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其目的是結(jié)合現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外在光互連技術(shù)開展及應(yīng)用場(chǎng)景的差異，聯(lián)合國(guó)內(nèi)光模塊、光收發(fā)芯片、電驅(qū)動(dòng)放大芯片、光源、連接器等廠商，共同打造更加適合我國(guó)的 CPO 標(biāo)準(zhǔn)。光迅科技、中際旭創(chuàng)、華工科技、新易盛、阿里云、通宇通訊、海信、博創(chuàng)科技、聯(lián)特科技等都已開始涉足光電共封領(lǐng)域，但由于起步較晚，現(xiàn)在還沒有CPO 相關(guān)的產(chǎn)品推向市場(chǎng)，主要產(chǎn)品還都集中在 400G、800G 的硅光模塊。
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