Che cos'è l'ottica co-packaged (CPO)? Panoramica della tecnologia e tendenze future del mercato

L'emergere dei moduli ottici co-packaged (CPO) sta gradualmente cambiando il modo in cui operano i data center e le reti ad alte prestazioni. Affrontano diverse sfide inevitabili: densità di larghezza di banda, consumo energetico e scalabilità futura. I CPO migliorano la larghezza di banda di interconnessione e l'efficienza energetica integrando direttamente componenti ottici ed elettronici nello stesso package, accorciando al contempo le lunghezze dei collegamenti elettrici. Questo design sta diventando sempre più importante con l'impennata del traffico nei data center, soprattutto alla luce delle crescenti esigenze dell'intelligenza artificiale e del calcolo ad alte prestazioni.

Rispetto ai tradizionali moduli ottici innestabili, il CPO dimostra maggiori vantaggi ad alte velocità di trasmissione dati. In precedenza, l'aumento della velocità dei moduli comportava inevitabilmente un maggiore consumo energetico. La soluzione CPO, tuttavia, riduce l'assorbimento di potenza—i primi test indicano riduzioni dal 30% al 50%. In combinazione con i progressi nella tecnologia chip-on-package (CoP) e nel packaging 3D-IC, l'integrazione dei componenti ottici con i wafer di silicio è diventata più stretta, riducendo significativamente l'attenuazione del segnale e la perdita di energia.

Man mano che le velocità di trasmissione dei dati superano 800G e persino soglie di 1.6T, CPO offre un chiaro percorso evolutivo per le reti future. Con la crescente partecipazione di produttori e istituzioni—in particolare con l'approfondimento dell'esplorazione nelle applicazioni AI—si prevede ampiamente che CPO realizzi progressi decisivi sia in termini di efficienza sia di capacità, guidando così una trasformazione sostanziale dell'infrastruttura di rete.

Che cos'è la tecnologia Co-Packaged Optics (CPO)?

I moduli ottici co-packaged (CPO) adottano un approccio integrato raggruppando componenti diversi. Posizionando moduli ottici e chip in silicio su un unico substrato, i moduli CPO affrontano direttamente le sfide di larghezza di banda, consumo energetico e costi nelle reti di nuova generazione. La tecnologia CPO combina fibra ottica, elaborazione digitale del segnale (DSP), progettazione di circuiti integrati specifici per applicazione (ASIC) e processi avanzati di packaging e collaudo. CPO offre vantaggi concreti per l'espansione dei data center sia in direzione orizzontale sia verticale.

I moduli ottici innestabili tradizionali utilizzano spesso processori di segnale digitale (DSP) ad alta potenza per compensare le perdite durante la trasmissione del segnale dal circuito integrato specifico per l'applicazione (ASIC). Con l'avanzare della tecnologia SerDes verso 212 Gbps PAM-4 e oltre, queste perdite si intensificano, creando una maggiore dipendenza dai DSP. Sebbene i moduli Linear Regenerative Optical (LRO) o Linear Pluggable Optical (LPO) tentino di eliminare i DSP, rimangono suscettibili alle perdite di interconnessione. Al contrario, i moduli Co-Packaged Optical (CPO) integrano il modulo ottico direttamente sulla stessa interfaccia di substrato dell'ASIC. Ciò consente una maggiore integrazione, riduce al minimo le perdite del percorso di trasmissione e mantiene il consumo energetico entro un intervallo più ottimale.

Vantaggi dei componenti ottici co-packaged

In termini di consumo energetico, le prestazioni CPO sono state convalidate da diversi produttori. Le prime soluzioni di Broadcom e Cisco hanno mostrato risparmi energetici dal 30% al 50%, raggiungendo un'efficienza energetica di interconnessione inferiore a un pJ/bit. Ayar Labs ha portato questo risultato oltre, raggiungendo un throughput di 16 Tbps in entrambe le direzioni utilizzando meno di cinque pJ/bit. Ecco alcuni modi chiave per risparmiare energia:

Cablaggio in rame senza perdita

I moduli ottici pluggable tradizionali richiedono che i segnali viaggino dai chip ASIC attraverso collegamenti in rame fino al pannello frontale—un processo lungo e ad alto consumo energetico. I design CPO montano i componenti attivi e i transceiver ottici sullo stesso substrato, eliminando tutte le perdite e le distorsioni causate dalle piste in rame sulla scheda madre.

Minore dipendenza dai DSP

Nelle architetture con più di 25G/canale, i retimer DSP sono quasi essenziali nei moduli ottici pluggable per compensare la perdita e la distorsione del segnale. Tuttavia, i DSP stessi aumentano il consumo energetico del sistema dal 25% al 30%. Il CPO integra chip e componenti ottici, riducendo significativamente le perdite nel cablaggio in rame. Ciò consente ai progettisti di utilizzare meno DSP, risparmiando energia e denaro.

Metodi di integrazione laser

Esistono due approcci per il posizionamento del laser. Il metodo comune utilizza un laser esterno, che immette luce nel CPO tramite fibra, ma ciò spesso comporta una perdita di potenza ottica dal 30% al 50%. L'alternativa integra il laser direttamente sul chip. Se la gestione termica e l'affidabilità sono garantite, questo design offre un'efficienza di accoppiamento superiore.

Larghezza di banda elevata e bassa latenza

I CPO offrono anche vantaggi significativi in termini di larghezza di banda e latenza. L'eliminazione di DSP ridondanti e lunghe piste in rame consente una trasmissione del segnale più diretta e pulita. I ritardi introdotti da componenti aggiuntivi come i DSP e le parassitiche delle piste in rame sono praticamente assenti nelle architetture CPO.

L'applicazione della Co-packaged Optics

CPO nelle applicazioni di rete

CPO è attualmente distribuito principalmente nelle reti front-end dei data center per collegare i server. La sua elevata larghezza di banda, la bassa latenza e l'efficienza energetica lo rendono una delle soluzioni più promettenti nella tecnologia Ethernet ottica di prossima generazione, particolarmente adatta alle applicazioni a livello di rete.

800G OSFP vs. 800G CPO

OIO e High-Performance Computing per AI/ML

Il settore sta esplorando nuove architetture a causa delle esigenze computazionali dell'intelligenza artificiale e del machine learning. Reti backend AI basate su OIO. Questa è considerata una direzione chiave per supportare i futuri cluster di calcolo.

I sistemi HPC tradizionali soffrono di regole rigide di allocazione delle risorse che limitano il trasferimento dei dati, impedendo il pieno utilizzo delle prestazioni. Sebbene le velocità di CPU e GPU siano aumentate, l'infrastruttura I/O non ha tenuto il passo. Ciò comporta una trasmissione dei dati ritardata, unità di calcolo inattive e una riduzione dell'efficienza complessiva.

Man mano che le attività AI/ML diventano sempre più su larga scala, questa contraddizione si intensifica. La soluzione risiede in un'architettura di rete capace di fornire una trasmissione ad alta velocità, a bassa latenza e senza perdite con scalabilità—precisamente il contesto in cui è emersa OIO. Essa porta con sé grandi aspettative di rivoluzionare potenzialmente i colli di bottiglia prestazionali esistenti.

La trasformazione dell'architettura HPC

Nel mondo del calcolo ad alte prestazioni, le architetture disaggregabili stanno lentamente sostituendo i vecchi modelli isolati. Il nuovo approccio prevede la separazione delle parti di memoria, elaborazione e archiviazione di un computer, per poi ricomporle in gruppi flessibili tramite connessioni OIO avanzate. Questo consente di regolare facilmente l'uso delle risorse, risultando migliore rispetto al vecchio modo di fare le cose perché è più flessibile ed efficiente.

Sfide per i componenti ottici co-packaged

Problemi di lock-in del fornitore

Quando sia gli switch sia i componenti ottici provengono dallo stesso fornitore, gli operatori si trovano di fronte a scelte limitate. Una volta effettuato un investimento significativo in un particolare ecosistema, passare ai prodotti di altri fornitori diventa difficile. Questo riduce la flessibilità per aggiornamenti o sostituzioni dei componenti e può portare a dipendenza nel lungo periodo.

Manutenzione e affidabilità

I moduli ottici pluggable sono ottimi perché sono altamente modulari. Ciò significa che, se una parte si guasta, può essere facilmente sostituita. Sono inoltre intercambiabili con prodotti di qualsiasi produttore. Ma questo non vale per i CPO. Quando un componente ottico smette di funzionare, spesso è necessario smontare l'intero switch. Questo rende la sostituzione molto più difficile e costosa. Per risolvere questo problema, alcuni progetti integrano componenti ad alto rischio, come i laser, in parti che possono essere sostituite da remoto. Altri esplorano connettori ottici pluggable per facilitare la manutenzione.

Sfide termiche

Inserire chip fotonici all'interno di package elettronici può aumentare il rischio di interferenze termiche. I riscaldatori e le sorgenti laser nel chip fotonico generano calore, mentre l'energia termica dei chip elettronici fluisce verso la sezione fotonica. In combinazione con il progetto di raffreddamento a livello di sistema, il comportamento termico diventa significativamente più complesso. Pertanto, è necessaria un'analisi termica completa dal livello del chip al livello del sistema.

Integrità del segnale e dell'alimentazione

I sistemi CPO richiedono una simulazione transitoria globale per garantire sia una trasmissione stabile del segnale sia un'alimentazione ininterrotta. Ciò comporta la considerazione dell'accoppiamento tra circuiti elettrici e fotonici, incorporando al contempo gli effetti parassiti introdotti da varie interconnessioni elettriche durante la fase di packaging.

Scalabilità e densità di larghezza di banda edge

Una metrica chiave per CPO e OIO è la densità di larghezza di banda sul bordo—quante fibre possono essere alloggiate alla periferia del chip. Le fibre sono solitamente accoppiate dal bordo. La differenza di dimensioni tra la fibra e la guida d'onda crea problemi quando si tratta di fan-out. Provate a immaginare di collocare migliaia di fibre su un substrato senza aumentarne le dimensioni—questo quasi sempre incontra un ostacolo. Per superarlo, il settore ha proposto metodi come le strutture a scanalatura a V, che dispongono le fibre verticalmente per prevenire danni quando vengono collegate. Nuovi approcci, come le microlenti basate su reticolo, sono anch'essi oggetto di ricerca attiva.

Sfide di produzione e collaudo

Il raggiungimento di una produzione di massa effettiva dipende dai costi e dai tassi di rendimento. Garantire una qualità costante e processi di test robusti è particolarmente critico negli scenari di supply chain multi-vendor. Con la crescita della domanda e l'aumento degli investimenti di capitale, questi requisiti continueranno ad aumentare.

Tendenze di mercato che plasmano il futuro del CPO

Nel settore dei semiconduttori, un approccio attualmente diffuso prevede l'uso di design a chiplet, che differiscono dall'integrazione di tutte le funzioni in un singolo system-on-chip (SoC). L'approccio chiplet suddivide la funzionalità in più piccoli chip indipendenti, ciascuno dei quali può essere incapsulato e combinato per lavorare insieme. Questo design offre maggiore flessibilità nella progettazione dei chip e semplifica la transizione dai tradizionali SoC alle architetture system-in-package (SiP). La tecnologia chiplet potrebbe rivelarsi un fattore chiave nel promuovere l'adozione della tecnologia CPO. Consentono la combinazione di diverse tecnologie all'interno dello stesso package—ad esempio, abbinando un chiplet I/O ottico realizzato su un nodo CMOS maturo con un ASIC prodotto con un processo all'avanguardia. Questa combinazione riduce i costi, migliora la resa e rende l'intero ecosistema più adattabile.

Allo stesso tempo, la tecnologia 3D-IC sta aprendo nuove possibilità per la densità di integrazione. Gli attuali progetti CPO in genere collocano i chip ottici ed elettrici affiancati su un substrato a bassa perdita; tuttavia, impilarli verticalmente è il passo logico successivo. Un'architettura CPO 3D-IC consentirebbe l'integrazione dei componenti OIO e ASIC in tre dimensioni, offrendo collegamenti chip-to-chip a bassissima potenza e larghezza di banda estremamente elevata. Questo tipo di packaging consente progetti più grandi e complessi, ma introduce anche nuove sfide. Gli ingegneri hanno sempre più bisogno di simulazioni multifisiche ed elettromagnetiche per cogliere effetti emergenti che non erano motivo di preoccupazione su scale più ridotte.

Nel frattempo, ottiche collegabili non scompariranno tanto presto. Le ottiche collegabili a pilotaggio lineare (LPO) si stanno evolvendo insieme al CPO, condividendo la stessa idea di eliminare il DSP per ridurre il consumo energetico. Mentre il CPO riduce ottiche ed elettronica in un ingombro incredibilmente compatto, anche i moduli collegabili stanno subendo una miniaturizzazione per affrontare il loro fattore di forma storicamente ingombrante. I due approcci potrebbero in definitiva completarsi a vicenda piuttosto che competere direttamente, soprattutto mentre i data center cercano opzioni di implementazione flessibili.

Tuttavia, affinché il CPO superi la fase di proof-of-concept e conquisti un'ampia fiducia del mercato, devono essere soddisfatte diverse condizioni. Il settore dovrà dimostrare un solido modello di business multi-vendor, accompagnato da riduzioni tangibili dei costi e dei consumi energetici. Altrettanto importante è la creazione degli elementi mancanti, come interfacce ottiche standardizzate e blocchi IP riutilizzabili. Nessuna singola azienda può riuscirci da sola. Il progresso dipende dalla collaborazione lungo tutta la supply chain—fornitori EDA, progettisti di chip, architetti di sistema, aziende di packaging, fornitori di apparecchiature di test e fonderie devono tutti lavorare in sincronia. Costruire questo ecosistema non è un compito da poco, ma la pressione sta aumentando. Con i carichi di lavoro di AI e machine learning che spingono le esigenze di rete e di calcolo in territori inesplorati, la corsa è già iniziata.