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共封裝光學解決方案是否正在走向現實?

    作者:宏拓新軟件
    發布日期:2023-12-11         
閱讀:57     
 
 

在高速數據傳輸中,銅電路信號衰減和失真會隨著電路長度的增加而增加。然而,硅光子學的快速發展和新一代共封裝光學(CPO)技術使設計者能夠將不同芯片直接安裝在一個共同基板上,節省功率和擴大帶寬。

高速數據傳輸

高速數據傳輸的進展速度一直很快而迅猛。設計工程師決心找到超越傳統銅互連帶寬限制方法,同時降低功耗。不斷發展的大數據應用,包括:人工智能、機器學習、高清視頻和未來的自主交通,正在給數據中心基礎設施帶來巨大壓力。因此為了滿足日益增長的需求,全球投入數十億美元進行相關研究。

高性能交換機和路由器芯片是當今超大規模數據中心的核心。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,數據轉換容量顯著增加。2023年3月,博通成為第一個宣布生產51.2 Tb/s轉換芯片的公司。

交換機封裝技術

交換機封裝技術

目前交換機封裝技術采用了可插拔光收發器,這CPO技術在過去20年里經歷了大幅度性能改進。其中最先進模塊,包括CFP2、QSFP-DD和OSFP,可以提供高達800 Gb/s的數據傳輸速率。這些模塊提供易于升級和更換、自動化網絡管理、多種模式、可選擇操作頻帶等,全球供應鏈成熟。

安裝在交換機或路由器面板上的插座和模塊

安裝在交換機或路由器面板上的插座和CPO模塊

目前市場上可插拔模塊形式較多,給設計師提供了更多I/O選擇和靈活性,包括銅和光纖。新的應用不斷推動這項技術突破極限。

可插拔光收發器

可插拔光收發器將傳入的光信號轉換為電脈沖。這些信號通過銅線纜連接到交換機主板上,并傳送到交換機ASIC芯片上。這種安排的問題是,隨著數據速率增加,銅電路引入的信號衰減和失真隨著電路長度的增加而增加。

光信號轉換為電脈沖

為了補償這種衰減,需要更多電源功率。當需要需要越來越多信號時,增加的電力需求就會達到很高水平。

1RU面板

另一個問題是,1RU面板上的可用空間有限,未來交換機可能沒有足夠空間來安裝所需數量的可插拔收發器。設計師可以選擇2RU封裝,但這將限制可以安裝在機架上的設備數量。

共封裝光學(CPO)正在被提出,作為這一問題的長期解決方案。目前正在做的幾個臨時步驟,包括車載光學和近封裝光學,但硅光子學的快速發展使其能夠將不同芯片直接安裝在一個共同襯底上。

光纖不是在前置面板上進行電光轉換,而是直接被帶到一個基板上,它有一系列的“chicklet”光學模塊排列在開關ASIC周圍。

光模塊和開關之間極短的連接電氣路徑

CPO技術模塊和開關之間極短的連接電氣路徑

 

CPO

在與開關相同的基板上CPO光源,電信號路徑減少到最短,最大限度地減少了由于CPO應用材料損耗和功率需求而造成的失真和衰減。

來自轉換ASIC的電信號通過光集成電路(PICs)轉換為光學信號,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應用光源位置的轉變是一個重要議題。一種做法是將激光和光模塊都定位在基板上,使CPO模塊成為一個獨立組件。單個激光可以支持多個chicklet,或者每個chicklet可以有自己的激光,F場可更換嵌套激光器可以讓模塊在出現故障時繼續工作。這兩種方法都會產生與高功率激光器的熱問題。在這種CPO技術配置中需要考慮液體冷卻。

另一種方法是使用CPO技術非模塊激光光源。外部安裝的CPO應用激光器可以驅動多個車載光源,但增加了連接器的可靠性問題。

光互聯論壇(OIF)已經成為CPO技術的推動者,并正在積極地創建急需的標準。2022年2月,OIF發布了一份初步的共封裝框架實現協議,其目標是確定關鍵的CPO應用,并定義它們的需求,從而使創建互操作性標準成為可能。光模塊套件、熱管理、激光類型、激光安全、芯片封裝選項、電氣和光學預算、可修復性和可制造性等,都是我們需要討論的議題。

ELSFP

該CPO應用方案的獨特方面是推薦在面板上安裝一個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生的熱量,同時提供一種快速和簡單的方法應對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。

標準化光學模塊chicklet和外部光學模塊的概念為CPO應用模塊的設計提供了一個可制造和可擴展的解決方案。

ELSFP

2023年3月,OIF宣布了3.2 Tb模塊1.0標準,定義了3.2 Tb/s復合光收發器的CPO技術規范,以此為基礎,提出減少51.2 Tb/s開關功耗,以及ASIC附近配置16個模塊的CPO應用解決方案。

2023年8月8日,OIF宣布了外部激光可插拔(ELSFP)協議,這代表了支持CPO技術的又一個重要步驟。

CPO技術應用還遠未達成協議,F有系統CPO應用技術與目標還有很大差距。如果CPO激光光源失效,有關ELSEP的可靠性和恢復問題仍然沒有解決。CPO收發器模塊是否應該被嵌套起來,這是否會導致另一種故障?關于CPO架構的可制造性,還存在其它問題。當工程師們找到成本更低的方法來使用傳統的CPO可插拔收發器,并能支持51.2甚至10個2.4Tb的交換機時,CPO技術會遭受延遲發展嗎?

CPO可插拔式光收發器繼續發展。2個定義OSFP-XP可插拔產品的規范于2023年3月發布,專門針對51.2 Tb交換機。線性直接可插拔收發器隨著降低功耗、延遲和成本承諾而受到關注。

鑒于在硅光子學方面的巨大投資,以及預計開關速度將繼續由人工智能和機器學習的需求驅動,我們預計CPO技術最終將成為下一代系統中最具成本效益的封裝技術。只有當傳統的替代方案不能在經濟上提供所需的性能水平時,預計這才會發生。

 

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