Qu’est-ce que l’optique co-packagée (CPO) ? Aperçu de la technologie et tendances futures du marché

L’émergence des modules optiques co-packagés (CPO) transforme progressivement le mode de fonctionnement des centres de données et des réseaux haute performance. Ils répondent à plusieurs défis incontournables : la densité de bande passante, la consommation d’énergie et l’évolutivité future. Les CPO améliorent la bande passante d’interconnexion et l’efficacité énergétique en regroupant directement les composants optiques et électroniques, tout en raccourcissant les longueurs des liaisons électriques. Cette conception devient de plus en plus importante à mesure que le trafic des centres de données augmente fortement, notamment face aux exigences croissantes de l’intelligence artificielle et du calcul haute performance.

Par rapport aux modules optiques enfichables traditionnels, le CPO présente des avantages plus importants à des débits de données élevés. Auparavant, l’augmentation de la vitesse des modules entraînait inévitablement une consommation d’énergie plus élevée. La solution CPO, toutefois, réduit la consommation d’énergie—les premiers tests indiquent des réductions de 30 % à 50 %. Associée aux avancées de la technologie chip-on-package (CoP) et de l’encapsulation 3D-IC, l’intégration des composants optiques avec les wafers de silicium est devenue plus étroite, réduisant considérablement l’atténuation du signal et les pertes d’énergie.

À mesure que les débits de données dépassent 800G et même les seuils de 1.6T, CPO offre une voie d’évolution claire pour les réseaux futurs. Avec la participation croissante des fabricants et des institutions—en particulier l’approfondissement de l’exploration des applications d’IA—CPO devrait largement réaliser des avancées tant en efficacité qu’en capacité, entraînant ainsi une transformation substantielle de l’infrastructure réseau.

Qu’est-ce que la technologie Co-Packaged Optics (CPO) ?

Les modules optiques co-packagés (CPO) adoptent une approche intégrée en regroupant des composants disparates. En plaçant des modules optiques et des puces en silicium sur un seul substrat, les modules CPO répondent directement aux défis liés à la bande passante, à la consommation d’énergie et aux coûts dans les réseaux de nouvelle génération. La technologie CPO combine la fibre optique, le traitement numérique du signal (DSP), la conception de circuits intégrés spécifiques à une application (ASIC), ainsi que des processus avancés de packaging et de test. Le CPO offre des avantages tangibles pour l’expansion des centres de données dans les directions horizontale et verticale.

Les modules optiques enfichables traditionnels utilisent souvent des processeurs de signaux numériques (DSP) à forte consommation pour compenser les pertes lors de la transmission du signal depuis le circuit intégré spécifique à l’application (ASIC). À mesure que la technologie SerDes progresse vers le PAM-4 à 212 Gbps et au-delà, ces pertes s’intensifient, créant une plus grande dépendance aux DSP. Bien que les modules optiques régénératifs linéaires (LRO) ou optiques enfichables linéaires (LPO) tentent d’éliminer les DSP, ils restent sensibles aux pertes d’interconnexion. En revanche, les modules optiques copackagés (CPO) intègrent le module optique directement sur la même interface de substrat que l’ASIC. Cela permet une intégration plus élevée, minimise les pertes du trajet de transmission et maintient la consommation d’énergie dans une plage plus optimale.

Avantages des composants optiques co-packagés

En matière de consommation d’énergie, les performances du CPO ont été validées par plusieurs fabricants. Les premières solutions de Broadcom et Cisco ont montré des économies d’énergie de 30 % à 50 %, atteignant une efficacité énergétique d’interconnexion inférieure à un pJ/bit. Ayar Labs est allé plus loin, atteignant un débit de 16 Tbit/s dans les deux sens tout en utilisant moins de cinq pJ/bit. Voici quelques moyens clés d’économiser de l’énergie :

Câblage en cuivre sans perte

Les modules optiques enfichables traditionnels nécessitent que les signaux circulent des puces ASIC vers le panneau avant via des liaisons en cuivre—un processus long et énergivore. Les conceptions CPO montent les composants actifs et les émetteurs-récepteurs optiques sur le même substrat, éliminant toutes les pertes et distorsions causées par les pistes en cuivre de la carte mère.

Dépendance réduite aux DSP

Dans les architectures avec plus de 25G/canal, les retimers DSP sont presque essentiels dans les modules optiques enfichables pour compenser la perte et la distorsion du signal. Cependant, les DSP eux-mêmes augmentent la consommation électrique du système de 25 % à 30 %. Le CPO intègre des puces et des composants optiques, réduisant considérablement les pertes dans le câblage en cuivre. Cela permet aux concepteurs d’utiliser moins de DSP, économisant ainsi de l’énergie et de l’argent.

Méthodes d’intégration laser

Il existe deux approches pour le placement du laser. La méthode courante utilise un laser externe, injectant la lumière dans le CPO via une fibre, mais cela entraîne souvent une perte de puissance optique de 30% à 50%. L’alternative consiste à intégrer le laser directement sur la puce. Si la gestion thermique et la fiabilité sont assurées, cette conception offre une efficacité de couplage supérieure.

Bande passante élevée et faible latence

Les CPO offrent également des avantages significatifs en matière de bande passante et de latence. L’élimination des DSP redondants et des longues pistes en cuivre permet une transmission du signal plus directe et plus propre. Les retards introduits par des composants supplémentaires tels que les DSP et les parasites des pistes en cuivre sont pratiquement absents dans les architectures CPO.

L’application de l’optique co-packagée

Le CPO dans les applications réseau

Le CPO est actuellement déployé principalement dans les réseaux front-end des centres de données pour connecter les serveurs. Sa bande passante élevée, sa faible latence et son efficacité énergétique en font l’une des solutions les plus prometteuses de la technologie Ethernet optique de nouvelle génération, particulièrement adaptée aux applications au niveau du réseau.

800G OSFP vs. 800G CPO

OIO et calcul haute performance pour l’IA/ML

Le secteur explore de nouvelles architectures en raison des exigences de calcul liées à l’intelligence artificielle et à l’apprentissage automatique. Réseaux backend d’IA alimentés par OIO. Cette approche est considérée comme une orientation clé pour prendre en charge les futurs clusters de calcul.

Les systèmes HPC traditionnels souffrent de règles d’allocation des ressources rigides qui limitent le transfert de données, empêchant une utilisation complète des performances. Bien que les vitesses des CPU et des GPU aient augmenté, l’infrastructure d’E/S n’a pas suivi le rythme. Cela entraîne des retards dans la transmission des données, des unités de calcul inactives et une efficacité globale réduite.

À mesure que les tâches d’IA/ML deviennent de plus en plus à grande échelle, cette contradiction s’intensifie. La solution réside dans une architecture réseau capable d’offrir une transmission à haut débit, à faible latence et sans perte, avec évolutivité—précisément le contexte dans lequel OIO a émergé. Il suscite de fortes attentes quant à sa capacité à révolutionner les goulots d’étranglement existants en matière de performances, potentiellement.

La transformation de l’architecture HPC

Dans le monde du calcul haute performance, les architectures décomposables remplacent progressivement les anciens modèles isolés. La nouvelle approche consiste à séparer les parties mémoire, calcul et stockage d’un ordinateur, puis à les assembler en groupes flexibles au moyen de connexions OIO avancées. Cela permet d’ajuster facilement l’utilisation de vos ressources, ce qui est préférable à l’ancienne façon de procéder, car c’est plus flexible et plus efficace.

Défis auxquels sont confrontés les composants optiques co-packagés

Problèmes de verrouillage fournisseur

Lorsque les commutateurs et les composants optiques proviennent du même fournisseur, les opérateurs disposent de choix limités. Une fois qu’un investissement important a été réalisé dans un écosystème particulier, il devient difficile de passer aux produits d’autres fournisseurs. Cela réduit la flexibilité pour les mises à niveau ou les remplacements de composants et peut entraîner une dépendance à long terme.

Maintenance et fiabilité

Les modules optiques enfichables sont très avantageux, car ils sont hautement modulaires. Cela signifie que si une pièce tombe en panne, elle peut être facilement remplacée. Ils sont également interchangeables avec les produits de n’importe quel fabricant. Mais ce n’est pas le cas des CPO. Lorsqu’un composant optique cesse de fonctionner, il faut souvent démonter l’ensemble du commutateur. Son remplacement devient ainsi beaucoup plus difficile et coûteux. Pour y remédier, certaines conceptions intègrent des composants à haut risque, tels que les lasers, dans des pièces qui peuvent être remplacées à distance. D’autres explorent les connecteurs optiques enfichables afin de faciliter la maintenance.

Défis thermiques

L’intégration de puces photoniques dans des boîtiers électroniques peut augmenter le risque d’interférences thermiques. Les éléments chauffants et les sources laser de la puce photonique génèrent de la chaleur, tandis que l’énergie thermique provenant des puces électroniques se propage vers la section photonique. Combiné à la conception du refroidissement au niveau du système, le comportement thermique devient nettement plus complexe. Par conséquent, une analyse thermique complète est nécessaire, du niveau de la puce au niveau du système.

Intégrité du signal et de l’alimentation

Les systèmes CPO nécessitent une simulation transitoire globale afin d’assurer à la fois une transmission stable du signal et une alimentation électrique ininterrompue. Cela implique de prendre en compte le couplage entre les circuits électriques et photoniques, tout en intégrant les effets parasites introduits par diverses interconnexions électriques lors de l’étape de packaging.

Évolutivité et densité de bande passante en périphérie

Une métrique clé pour le CPO et l’OIO est la densité de bande passante en périphérie—combien de fibres peuvent être logées à la périphérie de la puce. Les fibres sont généralement couplées par la tranche. La différence de taille entre la fibre et le guide d’ondes crée des problèmes lorsqu’il s’agit de fan-out. Essayez d’imaginer placer des milliers de fibres sur un substrat sans augmenter sa taille—cela se heurte presque toujours à une limite. Pour surmonter ce problème, l’industrie a proposé des méthodes telles que les structures en V-groove, qui disposent les fibres verticalement afin d’éviter les dommages lorsqu’elles sont connectées. De nouvelles approches, telles que les microlentilles à réseau, font également l’objet de recherches actives.

Défis de fabrication et de test

La réalisation d’une production de masse effective dépend des coûts et des taux de rendement. Garantir une qualité constante et des processus de test robustes est particulièrement essentiel dans les scénarios de chaîne d’approvisionnement multifournisseur. À mesure que la demande augmente et que les investissements en capital progressent, ces exigences continueront de s’intensifier.

Tendances du marché façonnant l’avenir du CPO

Dans l’industrie des semi-conducteurs, une approche actuellement populaire consiste à utiliser des conceptions à chiplets, qui diffèrent de l’intégration de toutes les fonctions dans un seul système sur puce (SoC). L’approche chiplet décompose les fonctionnalités en plusieurs petites puces indépendantes, chacune pouvant être encapsulée et combinée pour fonctionner ensemble. Cette conception offre une plus grande flexibilité dans la conception des puces et simplifie la transition des SoC traditionnels vers les architectures de système en boîtier (SiP). La technologie des chiplets pourrait s’avérer être un moteur clé pour faire progresser l’adoption de la technologie CPO. Ils permettent de combiner différentes technologies au sein du même boîtier—par exemple, en associant un chiplet d’E/S optiques construit sur un nœud CMOS mature à un ASIC fabriqué selon un procédé de pointe. Cette combinaison réduit les coûts, améliore le rendement et rend l’ensemble de l’écosystème plus adaptable.

Dans le même temps, la technologie 3D-IC ouvre de nouvelles possibilités en matière de densité d’intégration. Les conceptions CPO actuelles placent généralement les puces optiques et électriques côte à côte sur un substrat à faibles pertes ; toutefois, leur empilement vertical constitue la prochaine étape logique. Une architecture CPO 3D-IC permettrait l’intégration des composants OIO et ASIC en trois dimensions, offrant des liaisons puce à puce à très faible consommation et à bande passante extrêmement élevée. Ce type de packaging permet des conceptions plus grandes et plus complexes, mais il introduit également de nouveaux défis. Les ingénieurs ont de plus en plus besoin de simulations multiphysiques et électromagnétiques pour saisir les effets émergents qui n’étaient pas préoccupants à des échelles plus petites.

Pendant ce temps, optiques enfichables ne disparaîtront pas de sitôt. Les optiques enfichables à entraînement linéaire (LPO) évoluent parallèlement au CPO, partageant la même idée de supprimer le DSP afin de réduire la consommation d’énergie. Tandis que le CPO réduit les optiques et l’électronique dans une empreinte incroyablement compacte, les modules enfichables font également l’objet d’une miniaturisation afin de remédier à leur format historiquement encombrant. Les deux approches pourraient finalement se compléter plutôt que se concurrencer directement, en particulier alors que les centres de données recherchent des options de déploiement flexibles.

Néanmoins, pour que le CPO dépasse le stade de la preuve de concept et gagne une large confiance du marché, plusieurs conditions doivent être remplies. L’industrie devra démontrer un modèle économique multi-fournisseurs robuste, accompagné de réductions tangibles des coûts et de la consommation électrique. Tout aussi importante est la création des éléments manquants, tels que des interfaces optiques standardisées et des blocs IP réutilisables. Aucune entreprise ne peut y parvenir seule. Les progrès dépendent de la collaboration dans toute la chaîne d’approvisionnement—fournisseurs EDA, concepteurs de puces, architectes système, entreprises de packaging, fournisseurs d’équipements de test et fonderies doivent tous travailler de concert. Construire cet écosystème n’est pas une mince affaire, mais la pression monte. Avec les charges de travail liées à l’IA et à l’apprentissage automatique qui poussent les exigences réseau et de calcul en territoire inconnu, la course a déjà commencé.