¿Qué es Co-Packaged Optics (CPO)? Descripción general de la tecnología y tendencias futuras del mercado

La aparición de los módulos ópticos coempaquetados (CPOs) está cambiando gradualmente la forma en que operan los centros de datos y las redes de alto rendimiento. Abordan varios desafíos inevitables: densidad de ancho de banda, consumo de energía y escalabilidad futura. Los CPOs mejoran el ancho de banda de interconexión y la eficiencia energética al empaquetar conjuntamente componentes ópticos y electrónicos de forma directa, al tiempo que acortan las longitudes de los enlaces eléctricos. Este diseño se está volviendo cada vez más importante a medida que aumenta el tráfico de los centros de datos, especialmente ante las crecientes demandas de la inteligencia artificial y la computación de alto rendimiento.

En comparación con los módulos ópticos conectables tradicionales, CPO demuestra mayores ventajas a altas velocidades de datos. Anteriormente, aumentar la velocidad del módulo conducía inevitablemente a un mayor consumo de energía. Sin embargo, la solución CPO reduce el consumo de energía—las pruebas iniciales indican reducciones del 30% al 50%. Combinada con los avances en la tecnología chip-on-package (CoP) y el encapsulado 3D-IC, la integración de componentes ópticos con obleas de silicio se ha vuelto más estrecha, lo que reduce significativamente la atenuación de la señal y la pérdida de energía.

A medida que las tasas de datos superan 800G e incluso umbrales de 1.6T, CPO proporciona una ruta de evolución clara para las redes futuras. Con la creciente participación de fabricantes e instituciones—en particular, la profundización de la exploración en aplicaciones de IA—se espera ampliamente que CPO logre avances tanto en eficiencia como en capacidad, impulsando así una transformación sustancial en la infraestructura de red.

¿Qué es la tecnología de óptica coempaquetada (CPO)?

Los módulos ópticos coempaquetados (CPO) adoptan un enfoque integrado al agrupar componentes dispares. Al colocar módulos ópticos y chips de silicio en un único sustrato, los módulos CPO abordan directamente los desafíos de ancho de banda, consumo de energía y coste en las redes de próxima generación. La tecnología CPO combina fibra óptica, procesamiento digital de señales (DSP), diseño de circuitos integrados de aplicación específica (ASIC) y procesos avanzados de empaquetado y prueba. CPO ofrece beneficios tangibles para la expansión de centros de datos tanto en dirección horizontal como vertical.

Los módulos ópticos enchufables tradicionales suelen utilizar procesadores de señales digitales (DSP) de alta potencia para compensar las pérdidas durante la transmisión de señales desde el circuito integrado específico de la aplicación (ASIC). A medida que la tecnología SerDes avanza hacia 212 Gbps PAM-4 y más allá, estas pérdidas se intensifican, lo que crea una mayor dependencia de los DSP. Aunque los módulos ópticos regenerativos lineales (LRO) o los módulos ópticos enchufables lineales (LPO) intentan eliminar los DSP, siguen siendo susceptibles a las pérdidas de interconexión. En cambio, los módulos ópticos coempaquetados (CPO) integran el módulo óptico directamente en la misma interfaz de sustrato que el ASIC. Esto logra una mayor integración, minimiza las pérdidas de la ruta de transmisión y mantiene el consumo de energía dentro de un rango más óptimo.

Ventajas de los componentes ópticos coempaquetados

En términos de consumo de energía, el rendimiento de CPO ha sido validado por múltiples fabricantes. Las primeras soluciones de Broadcom y Cisco mostraron ahorros de energía del 30% al 50%, logrando una eficiencia energética de interconexión inferior a un pJ/bit. Ayar Labs llevó esto más lejos, alcanzando un rendimiento de 16 Tbps en ambas direcciones mientras utilizaba menos de cinco pJ/bit. Estas son algunas formas clave de ahorrar energía:

Cableado de cobre sin pérdidas

Los módulos ópticos enchufables tradicionales requieren que las señales viajen desde los chips ASIC a través de enlaces de cobre hasta el panel frontal—un proceso largo y de alto consumo energético. Los diseños CPO montan los componentes activos y los transceptores ópticos en el mismo sustrato, eliminando todas las pérdidas y distorsiones causadas por las pistas de cobre en la placa base.

Menor dependencia de los DSP

En arquitecturas con más de 25G/canal, los retimers DSP son casi esenciales en módulos ópticos enchufables para compensar la pérdida y la distorsión de la señal. Sin embargo, los DSP aumentan por sí mismos el consumo de energía del sistema entre un 25% y un 30%. CPO integra chips y componentes ópticos, lo que reduce significativamente las pérdidas del cableado de cobre. Esto permite a los diseñadores usar menos DSP, ahorrando energía y dinero.

Métodos de integración de láser

Existen dos enfoques para la ubicación del láser. El método común utiliza un láser externo, que introduce luz en el CPO a través de fibra, pero esto suele generar una pérdida de potencia óptica del 30% al 50%. La alternativa integra el láser directamente en el chip. Si se garantizan la gestión térmica y la fiabilidad, este diseño ofrece una eficiencia de acoplamiento superior.

Alto ancho de banda y baja latencia

Los CPO también ofrecen ventajas significativas en ancho de banda y latencia. La eliminación de DSP redundantes y largas pistas de cobre permite una transmisión de señales más directa y limpia. Los retrasos introducidos por componentes adicionales como los DSP y los parásitos de las pistas de cobre están prácticamente ausentes en las arquitecturas CPO.

La aplicación de la óptica coempaquetada

CPO en aplicaciones de red

Actualmente, CPO se implementa principalmente en redes front-end de centros de datos para conectar servidores. Su alto ancho de banda, baja latencia y eficiencia energética lo convierten en una de las soluciones más prometedoras en la tecnología Ethernet óptica de próxima generación, especialmente adecuada para aplicaciones a nivel de red.

800G OSFP frente a 800G CPO

OIO y computación de alto rendimiento para IA/ML

La industria está explorando nuevas arquitecturas debido a las exigencias computacionales de la inteligencia artificial y el aprendizaje automático. Redes backend de IA impulsadas por OIO. Esto se considera una dirección clave para respaldar futuros clústeres de computación.

Los sistemas HPC tradicionales sufren reglas rígidas de asignación de recursos que restringen la transferencia de datos, lo que impide el pleno aprovechamiento del rendimiento. Aunque las velocidades de CPU y GPU han aumentado, la infraestructura de I/O no ha mantenido el ritmo. Esto da lugar a retrasos en la transmisión de datos, unidades de computación inactivas y una menor eficiencia general.

A medida que las tareas de IA/ML crecen a una escala cada vez mayor, esta contradicción se intensifica. La solución reside en una arquitectura de red capaz de ofrecer transmisión de alta velocidad, baja latencia y sin pérdidas con escalabilidad—precisamente el contexto en el que surgió OIO. Genera grandes expectativas de revolucionar los cuellos de botella de rendimiento existentes, potencialmente.

La transformación de la arquitectura HPC

En el mundo de la computación de alto rendimiento, las arquitecturas descomponibles están sustituyendo lentamente a los antiguos modelos aislados. El nuevo enfoque consiste en separar las partes de memoria, computación y almacenamiento de un ordenador, y luego unirlas en grupos flexibles mediante conexiones OIO avanzadas. Esto permite ajustar fácilmente el uso de los recursos, lo que es mejor que la forma antigua de hacer las cosas porque es más flexible y eficiente.

Desafíos que enfrentan los componentes ópticos coempaquetados

Problemas de dependencia del proveedor

Cuando tanto los switches como los componentes ópticos provienen del mismo proveedor, los operadores se enfrentan a opciones limitadas. Una vez realizada una inversión significativa en un ecosistema concreto, resulta difícil cambiar a productos de otros proveedores. Esto reduce la flexibilidad para actualizaciones o sustituciones de componentes y puede generar dependencia a largo plazo.

Mantenimiento y fiabilidad

Los módulos ópticos enchufables son excelentes porque son altamente modulares. Esto significa que, si una pieza se rompe, puede reemplazarse fácilmente. También son intercambiables con productos de cualquier fabricante. Pero este no es el caso de los CPO. Cuando un componente óptico deja de funcionar, a menudo es necesario desmontar todo el switch. Esto hace que reemplazarlo sea mucho más difícil y costoso. Para abordar esto, algunos diseños incorporan componentes de alto riesgo, como láseres, en partes que pueden reemplazarse de forma remota. Otros exploran conectores ópticos enchufables para facilitar el mantenimiento.

Desafíos térmicos

Colocar chips fotónicos dentro de paquetes electrónicos puede aumentar el riesgo de interferencia térmica. Los calentadores y las fuentes láser del chip fotónico generan calor, mientras que la energía térmica de los chips electrónicos fluye hacia la sección fotónica. Combinado con el diseño de refrigeración a nivel de sistema, el comportamiento térmico se vuelve significativamente más complejo. Por lo tanto, se requiere un análisis térmico integral desde el nivel del chip hasta el nivel del sistema.

Integridad de señal y alimentación

Los sistemas CPO requieren simulación transitoria global para garantizar tanto una transmisión de señal estable como un suministro de energía ininterrumpido. Esto implica tener en cuenta el acoplamiento entre circuitos eléctricos y fotónicos, al tiempo que se incorporan los efectos parásitos introducidos por diversas interconexiones eléctricas durante la etapa de empaquetado.

Escalabilidad y densidad de ancho de banda en el borde

Una métrica clave para CPO y OIO es la densidad de ancho de banda en el borde—cuántas fibras pueden acomodarse en la periferia del chip. Las fibras suelen acoplarse por el borde. La diferencia de tamaño entre la fibra y la guía de onda crea problemas en lo que respecta al fan-out. Intente imaginar colocar miles de fibras sobre un sustrato sin aumentar su tamaño—esto casi siempre acaba encontrando un límite. Para superar esto, la industria ha propuesto métodos como las estructuras de ranura en V, que disponen las fibras verticalmente para evitar daños cuando se conectan. También se están investigando activamente nuevos enfoques, como las microlentes basadas en rejillas.

Desafíos de fabricación y pruebas

Lograr una producción en masa real depende de los costos y las tasas de rendimiento. Garantizar una calidad constante y procesos de prueba robustos es especialmente crítico en escenarios de cadena de suministro con múltiples proveedores. A medida que crezca la demanda y aumente la inversión de capital, estos requisitos seguirán intensificándose.

Tendencias del mercado que moldean el futuro de CPO

En la industria de los semiconductores, un enfoque actualmente popular consiste en utilizar diseños de chiplets, que difieren de la integración de todas las funciones en un único sistema en chip (SoC). El enfoque de chiplets descompone la funcionalidad en varios chips pequeños independientes, cada uno de los cuales puede encapsularse y combinarse para trabajar en conjunto. Este diseño ofrece una mayor flexibilidad en el diseño de chips y simplifica la transición de los SoC tradicionales a arquitecturas de sistema en paquete (SiP). La tecnología de chiplets puede resultar ser un impulsor clave para avanzar en la adopción de la tecnología CPO. Permiten la combinación de diferentes tecnologías dentro del mismo paquete—por ejemplo, emparejar un chiplet de E/S óptica construido sobre un nodo CMOS maduro con un ASIC fabricado en un proceso de vanguardia. Esa combinación reduce los costos, mejora el rendimiento y hace que todo el ecosistema sea más adaptable.

Al mismo tiempo, la tecnología 3D-IC está abriendo nuevas posibilidades para la densidad de integración. Los diseños CPO actuales suelen colocar chips ópticos y eléctricos uno al lado del otro sobre un sustrato de bajas pérdidas; sin embargo, apilarlos verticalmente es el siguiente paso lógico. Una arquitectura CPO 3D-IC permitiría la integración de componentes OIO y ASIC en tres dimensiones, ofreciendo enlaces chip a chip de consumo ultrabajo y ancho de banda extremadamente alto. Este tipo de encapsulado permite diseños más grandes y complejos, pero también introduce nuevos desafíos. Los ingenieros necesitan cada vez más simulaciones multifísicas y electromagnéticas para captar efectos emergentes que no eran una preocupación a escalas más pequeñas.

Mientras tanto, óptica conectable no van a desaparecer pronto. Las ópticas conectables de accionamiento lineal (LPO) están evolucionando junto con CPO, compartiendo la misma idea de eliminar el DSP para reducir el consumo de energía. Mientras que CPO integra la óptica y la electrónica en un formato increíblemente compacto, los conectables también se están miniaturizando para abordar su formato históricamente voluminoso. Los dos enfoques pueden acabar complementándose en lugar de competir directamente, especialmente a medida que los centros de datos buscan opciones de despliegue flexibles.

Aun así, para que CPO vaya más allá de la etapa de prueba de concepto y gane una amplia confianza del mercado, deben cumplirse varias condiciones. La industria deberá demostrar un modelo de negocio robusto con múltiples proveedores, acompañado de reducciones tangibles de costos y consumo de energía. Igual de importante es la creación de piezas faltantes, como interfaces ópticas estandarizadas y bloques IP reutilizables. Ninguna empresa puede lograr esto por sí sola. El progreso depende de la colaboración en toda la cadena de suministro—proveedores de EDA, diseñadores de chips, arquitectos de sistemas, empresas de encapsulado, proveedores de equipos de prueba y fundiciones tienen que trabajar todos en sincronía. Construir ese ecosistema no es una tarea menor, pero la presión está aumentando. Con las cargas de trabajo de IA y aprendizaje automático empujando las demandas de red y cómputo hacia territorio inexplorado, la carrera ya ha comenzado.