光協(xié)同封裝（CPO: Co-Package Optics）

最近，人們對光協(xié)同封裝（CPO: Co-Package Optics）產(chǎn)生了濃厚的興趣。這可能是因為它是降低功率和增加服務器封裝之間帶寬的有力候選者之一。2025年2月16日至20日，工業(yè)界和學術界在舊金山的ISSCC 2025上發(fā)表了多篇與此主題相關的論文。如今，服務器的規(guī)模越來越大，尤其是在人工智能領域。世界上有很多人試圖建立一個超大規(guī)模的服務器群。這不僅使服務器之間的通信數(shù)據(jù)消耗更大，而且使封裝之間的通信數(shù)據(jù)消耗更大。在這種情況下，CPO技術受到了關注。作者想分享其中的一些努力。

圖1 能耗預測（網(wǎng)絡設備與數(shù)據(jù)中心在整體能耗中占比越來越高。）

博通Broadcom的Tomahawk 5 - Baily

首先，Broadcom在受邀行業(yè)會議上簡要提到了Tomahawk 5(TH5)–Bailly，分享了其51.2Tbps和6pJ/b的功耗效率數(shù)據(jù)。TH5-Bailly也可以在博通公司的演示展位上觀看。Broadcom堅稱TH5-Bailly自2023年就已經(jīng)量產(chǎn)，據(jù)悉 TH5-Bailly已向其客戶提供樣品。但沒有提到它何時會在市場上廣泛可以購買獲得。

圖2 TH5-Bailly: 直接驅動光協(xié)同封裝Direct Drive CPO

圖3 TH5-Bailly: 展位現(xiàn)場展示

Intel的直接驅動光學引擎

Intel還發(fā)表了一篇題為“基于 0.9pJ/b 108Gb/s PAM4 VCSEL 的直接驅動光學引擎”的論文。該論文討論了使用4級脈沖幅度調(diào)制（PAM4: Pulse Amplitude Modulation 4-Level）方案代替之前提出的不歸零（NRZ: Non-Return-to-Zero）調(diào)制方案來改善帶寬和功耗。此外，Intel通過使用3D打印聚合物波導代替機械光學接口(MOI: Mechanical Optical Interface)實現(xiàn)直接光學布線(DOW: Direct Optical Wiring)，展示了外形尺寸方面的進步，實現(xiàn)了1/4的占地面積（11x8平方毫米 vs. 4x6平方毫米）和1/3的高度（3.5毫米 vs. 1毫米）。

Intel堅持認為他們專注于高線性度PAM4光學引擎以獲得高帶寬。為了實現(xiàn)平坦的寬帶響應，設計了復合零（complex-zeor）的連續(xù)時間線性均衡器（CTLE: Continuous Time Linear Equalizer），使用重疊電感和分流反饋，實現(xiàn)了小電感面積的高線性度。Intel展示了使用有源復合零CTLE的VCSEL驅動電路和TIA前端電路的設計過程細節(jié)。因此，Intel在108Gb/s PAM4中實現(xiàn)了0.9pJ/b的能效。

圖4 INTEL: 直接光連線（DOW: Direct Optical Wire）

圖5 INTEL: 直接驅動光引擎Direct-Drive Optical Engine

圖6 INTEL: (a) VCDRV+VCSEL光學測量, (b) 直接驅動光引擎測量。

并行光學和microLED

密歇根大學電氣與計算機工程教授Ehsan Afshari博士的演講最吸引TechInsights編輯的注意。他的論文“并行與串行：基于MicroLED的D2D通信光收發(fā)器”在一個論壇分會Forum Session上發(fā)表。他的論文中的關鍵點是使用uLED代替激光來實現(xiàn)低功耗，并使用并行光學鏈路來增加帶寬。

圖7 基于uLED全雙工光鏈路的微觀視圖

圖8 基于uLED全雙工光鏈路的宏觀視圖

圖9 基于uLED的1Tb/s演示芯片

Ehsan Afshari博士展示了采用130nm CMOS工藝實現(xiàn)的32x2Gb/s的結果，并展示了一款演示芯片，該芯片在TSMC N16工藝芯片上結合了304個LED和光電二極管，實現(xiàn)了 1.2Tbps（4Gbps/通道x304通道）帶寬，鏈路功率小于1pJ/bit。Ehsan Afshari博士的目標明確而簡單：針對芯片間或封裝間通信，而不是長距離通信。他最后的總結評論是：“去雜貨店別坐飛機！”

圖10 Ehsan Afshari博士的最后評論

總結

雖然博通和Intel的目標市場與Ehsan Afshari博士的目標市場不同，但他們都以低功耗、高帶寬為目標。在這次會議上，TechInsights編輯并沒有看到真正的CPO運作。但能感覺到，在現(xiàn)實市場中看到各種CPO的時間不會太長。在GTC 2025上，NVIDIA聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官黃仁勛宣布，NVIDIA的CPO產(chǎn)品將在2025 年下半年出現(xiàn)，即NVIDIA的Quantum-X Photonics和Spectrum-X，它們是基于硅光的網(wǎng)絡交換芯片。在實現(xiàn)AI技術的眾多技術中，高性能計算和低功耗是最重要的技術。要增強超強AI發(fā)展，不僅需要更高性能的計算，而且功耗降低技術也是必不可少的。在不久的將來，像“星際之門Stargate”這樣的大型服務器群將會出現(xiàn)，提高性能和降低功耗的努力將繼續(xù)下去。包括CPO在內(nèi)的光鏈路的作用備受期待。

（來源：TechInsights博客，作者：Porter Seo）

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