Apakah Optik Dipakej Bersama (CPO)? Gambaran Keseluruhan Teknologi dan Trend Pasaran Masa Hadapan

Kemunculan modul optik berbungkus bersama (CPO) secara beransur-ansur mengubah cara pusat data dan rangkaian berprestasi tinggi beroperasi. Modul ini menangani beberapa cabaran yang tidak dapat dielakkan: ketumpatan lebar jalur, penggunaan tenaga dan kebolehskalaan masa hadapan. CPO meningkatkan lebar jalur sambungan antara dan kecekapan tenaga dengan membungkus komponen optik dan elektronik bersama-sama secara langsung, di samping memendekkan panjang pautan elektrik. Reka bentuk ini menjadi semakin penting apabila trafik pusat data meningkat dengan mendadak, terutamanya berikutan permintaan yang semakin meningkat terhadap kecerdasan buatan dan pengkomputeran berprestasi tinggi.

Berbanding modul optik boleh pasang tradisional, CPO menunjukkan kelebihan yang lebih besar pada kadar data tinggi. Sebelum ini, peningkatan kelajuan modul tidak dapat dielakkan membawa kepada penggunaan kuasa yang lebih tinggi. Walau bagaimanapun, penyelesaian CPO mengurangkan penggunaan kuasa—ujian awal menunjukkan pengurangan sebanyak 30% hingga 50%. Digabungkan dengan kemajuan dalam teknologi cip atas pakej (CoP) dan pembungkusan 3D-IC, penyepaduan komponen optik dengan wafer silikon menjadi lebih rapat, sekali gus mengurangkan pengecilan isyarat dan kehilangan tenaga dengan ketara.

Apabila kadar data melebihi 800G dan malah ambang 1.6T, CPO menyediakan laluan evolusi yang jelas untuk rangkaian masa hadapan. Dengan peningkatan penyertaan daripada pengilang dan institusi—khususnya penerokaan yang semakin mendalam dalam aplikasi AI—CPO dijangka secara meluas mencapai kejayaan dalam kecekapan dan kapasiti, sekali gus memacu transformasi ketara dalam infrastruktur rangkaian.

Apakah Teknologi Optik Berpakej Bersama (CPO)?

Modul optik terbungkus bersama (CPO) menggunakan pendekatan bersepadu dengan menggabungkan pelbagai komponen. Dengan meletakkan modul optik dan cip silikon pada satu substrat, modul CPO menangani cabaran lebar jalur, penggunaan kuasa dan kos dalam rangkaian generasi akan datang secara langsung. Teknologi CPO menggabungkan optik gentian, pemprosesan isyarat digital (DSP), reka bentuk litar bersepadu khusus aplikasi (ASIC), serta proses pembungkusan dan pengujian termaju. CPO memberikan manfaat ketara untuk mengembangkan pusat data dalam arah mendatar dan menegak.

Modul optik boleh pasang tradisional sering menggunakan pemproses isyarat digital (DSP) berkuasa tinggi untuk mengimbangi kehilangan semasa penghantaran isyarat daripada litar bersepadu khusus aplikasi (ASIC). Apabila teknologi SerDes berkembang kepada 212 Gbps PAM-4 dan seterusnya, kehilangan ini meningkat, lalu mewujudkan kebergantungan yang lebih besar pada DSP. Walaupun modul Linear Regenerative Optical (LRO) atau Linear Pluggable Optical (LPO) cuba menghapuskan DSP, modul ini masih terdedah kepada kehilangan sambungan antara. Sebaliknya, modul Co-Packaged Optical (CPO) mengintegrasikan modul optik secara langsung pada antara muka substrat yang sama dengan ASIC. Ini menghasilkan integrasi yang lebih tinggi, meminimumkan kehilangan laluan penghantaran dan mengekalkan penggunaan kuasa dalam julat yang lebih optimum.

Kelebihan Komponen Optik Berpakej Bersama

Dari segi penggunaan kuasa, prestasi CPO telah disahkan oleh pelbagai pengeluar. Penyelesaian awal daripada Broadcom dan Cisco menunjukkan penjimatan kuasa sebanyak 30% hingga 50%, dengan kecekapan tenaga sambungan antara kurang daripada satu pJ/bit. Ayar Labs melangkah lebih jauh dengan mencapai daya pemprosesan 16 Tbps dalam kedua-dua arah sambil menggunakan kurang daripada lima pJ/bit. Berikut ialah beberapa cara utama untuk menjimatkan tenaga:

Pengkabelan Tembaga Tanpa Kehilangan

Modul optik boleh pasang tradisional memerlukan isyarat bergerak dari cip ASIC melalui pautan tembaga ke panel hadapan—suatu proses yang panjang dan menggunakan banyak tenaga. Reka bentuk CPO memasang komponen aktif dan transceiver optik pada substrat yang sama, menghapuskan semua kehilangan dan herotan yang disebabkan oleh jejak tembaga pada papan induk.

Kebergantungan yang Dikurangkan pada DSP

Dalam seni bina dengan lebih daripada 25G/saluran, retimer DSP hampir penting dalam modul optik boleh pasang untuk mengimbangi kehilangan dan herotan isyarat. Walau bagaimanapun, DSP itu sendiri meningkatkan penggunaan kuasa sistem sebanyak 25% hingga 30%. CPO mengintegrasikan cip dan komponen optik, sekali gus mengurangkan kehilangan pendawaian kuprum dengan ketara. Ini membolehkan pereka bentuk menggunakan kurang DSP, lalu menjimatkan kuasa dan kos.

Kaedah Integrasi Laser

Terdapat dua pendekatan untuk penempatan laser. Kaedah biasa menggunakan laser luaran yang menyalurkan cahaya ke dalam CPO melalui gentian, tetapi ini sering menyebabkan kehilangan kuasa optik sebanyak 30% hingga 50%. Alternatifnya ialah mengintegrasikan laser terus pada cip. Jika pengurusan terma dan kebolehpercayaan dapat dipastikan, reka bentuk ini menawarkan kecekapan gandingan yang lebih tinggi.

Jalur Lebar Tinggi dan Kependaman Rendah

CPO juga memberikan kelebihan yang ketara dari segi lebar jalur dan kependaman. Penghapusan DSP berlebihan dan laluan kuprum yang panjang membolehkan penghantaran isyarat yang lebih langsung dan bersih. Kelewatan yang diperkenalkan oleh komponen tambahan seperti DSP dan parasitik laluan kuprum hampir tiada dalam seni bina CPO.

Aplikasi Optik Bersepadu Pakej

CPO dalam Aplikasi Rangkaian

CPO kini digunakan terutamanya dalam rangkaian hadapan pusat data untuk menyambungkan pelayan. Lebar jalurnya yang tinggi, kependaman rendah dan kecekapan tenaga menjadikannya salah satu penyelesaian yang paling menjanjikan dalam teknologi Ethernet optik generasi akan datang, khususnya sesuai untuk aplikasi peringkat rangkaian.

800G OSFP berbanding 800G CPO

OIO dan Pengkomputeran Berprestasi Tinggi untuk AI/ML

Industri sedang meneroka seni bina baharu berikutan tuntutan pengkomputeran kecerdasan buatan dan pembelajaran mesin. Rangkaian backend AI berkuasa OIO. Ini dilihat sebagai hala tuju utama untuk menyokong kluster pengkomputeran masa hadapan.

Sistem HPC tradisional menghadapi peraturan peruntukan sumber yang tegar sehingga mengekang pemindahan data dan menghalang penggunaan prestasi sepenuhnya. Walaupun kelajuan CPU dan GPU telah meningkat, infrastruktur I/O tidak berkembang seiring. Hal ini menyebabkan penghantaran data tertangguh, unit pengkomputeran tidak digunakan, serta kecekapan keseluruhan berkurangan.

Apabila tugas AI/ML semakin berskala besar, percanggahan ini menjadi semakin ketara. Penyelesaiannya terletak pada seni bina rangkaian yang mampu menyediakan penghantaran berkelajuan tinggi, kependaman rendah dan tanpa kehilangan dengan kebolehskalaan—tepat dalam konteks inilah OIO muncul. Ia membawa harapan besar untuk merevolusikan kesesakan prestasi sedia ada, yang berpotensi.

Transformasi Seni Bina HPC

Dalam dunia pengkomputeran berprestasi tinggi, seni bina boleh diuraikan secara beransur-ansur menggantikan model terpencil lama. Pendekatan baharu ini melibatkan pengasingan bahagian memori, pengkomputeran dan storan komputer, kemudian menggabungkannya dalam kumpulan yang fleksibel melalui sambungan OIO canggih. Hal ini membolehkan anda melaraskan penggunaan sumber dengan mudah, yang lebih baik berbanding kaedah lama kerana lebih fleksibel dan cekap.

Cabaran yang Dihadapi oleh Komponen Optik Berpakej Bersama

Isu Kebergantungan kepada Pembekal

Apabila kedua-dua suis dan komponen optik datang daripada vendor yang sama, pengendali menghadapi pilihan yang terhad. Setelah pelaburan besar dibuat dalam ekosistem tertentu, beralih kepada produk pembekal lain menjadi sukar. Ini mengurangkan fleksibiliti untuk menaik taraf atau menggantikan komponen dan boleh menyebabkan kebergantungan dalam jangka panjang.

Penyelenggaraan dan Kebolehpercayaan

Modul optik boleh pasang sangat baik kerana sifatnya yang sangat modular. Ini bermakna jika sesuatu bahagian rosak, bahagian tersebut boleh diganti dengan mudah. Modul ini juga boleh ditukar ganti dengan produk daripada mana-mana pengeluar. Namun, perkara ini tidak berlaku untuk CPO. Apabila komponen optik berhenti berfungsi, keseluruhan suis selalunya perlu dibuka. Ini menjadikan proses penggantiannya jauh lebih sukar dan mahal. Untuk menangani masalah ini, sesetengah reka bentuk menggabungkan komponen berisiko tinggi, seperti laser, dalam bahagian yang boleh diganti dari jauh. Reka bentuk lain meneroka penyambung optik boleh pasang untuk memudahkan penyelenggaraan.

Cabaran Terma

Meletakkan cip fotonik di dalam pakej elektronik boleh meningkatkan risiko gangguan terma. Pemanas dan sumber laser dalam cip fotonik menghasilkan haba, manakala tenaga terma daripada cip elektronik mengalir ke bahagian fotonik. Digabungkan dengan reka bentuk penyejukan peringkat sistem, tingkah laku terma menjadi jauh lebih kompleks. Oleh itu, analisis terma yang menyeluruh diperlukan dari peringkat cip hingga ke peringkat sistem.

Integriti Isyarat dan Kuasa

Sistem CPO memerlukan simulasi transien global untuk memastikan penghantaran isyarat yang stabil serta bekalan kuasa yang tidak terganggu. Hal ini melibatkan pengambilan kira gandingan antara litar elektrik dan fotonik, di samping menggabungkan kesan parasit yang diperkenalkan oleh pelbagai sambungan elektrik semasa peringkat pembungkusan.

Kebolehskalaan dan Ketumpatan Lebar Jalur Pinggir

Metrik utama bagi CPO dan OIO ialah ketumpatan lebar jalur pada pinggir—berapa banyak gentian yang boleh ditempatkan di pinggir cip. Gentian biasanya digandingkan pada pinggir. Perbezaan saiz antara gentian dan pandu gelombang menimbulkan masalah apabila ia melibatkan pemisahan keluar. Cuba bayangkan meletakkan beribu-ribu gentian pada substrat tanpa meningkatkan saiznya—ini hampir selalu menemui had. Untuk mengatasinya, industri telah mencadangkan kaedah seperti struktur alur-V, yang menyusun gentian secara menegak untuk mengelakkan kerosakan apabila ia disambungkan. Pendekatan baharu, seperti kanta mikro berasaskan parutan, juga sedang giat dikaji.

Cabaran Pengilangan dan Pengujian

Pencapaian pengeluaran besar-besaran sebenar bergantung pada kos dan kadar hasil. Memastikan kualiti yang konsisten serta proses ujian yang kukuh amat penting khususnya dalam senario rantaian bekalan berbilang vendor. Apabila permintaan meningkat dan pelaburan modal bertambah, keperluan ini akan terus meningkat.

Trend Pasaran yang Membentuk Masa Depan CPO

Dalam industri semikonduktor, pendekatan yang kini popular melibatkan penggunaan reka bentuk chiplet, yang berbeza daripada mengintegrasikan semua fungsi ke dalam satu system-on-chip (SoC). Pendekatan chiplet memecahkan fungsi kepada beberapa cip kecil yang berasingan, setiap satunya boleh dipakejkan dan digabungkan untuk berfungsi bersama. Reka bentuk ini menawarkan fleksibiliti yang lebih besar dalam reka bentuk cip dan memudahkan peralihan daripada SoC tradisional kepada seni bina system-in-package (SiP). Teknologi chiplet mungkin terbukti sebagai pemacu utama dalam mempercepatkan penggunaan teknologi CPO. Teknologi ini membolehkan gabungan teknologi yang berbeza dalam pakej yang sama—contohnya, menggandingkan chiplet I/O optik yang dibina menggunakan nod CMOS matang dengan ASIC yang dihasilkan melalui proses termaju. Gabungan ini mengurangkan kos, meningkatkan hasil pengeluaran dan menjadikan keseluruhan ekosistem lebih mudah disesuaikan.

Pada masa yang sama, teknologi 3D-IC membuka kemungkinan baharu untuk ketumpatan integrasi. Reka bentuk CPO semasa biasanya meletakkan cip optik dan elektrik bersebelahan pada substrat kehilangan rendah; walau bagaimanapun, menyusunnya secara menegak ialah langkah logik seterusnya. Seni bina 3D-IC CPO membolehkan penyepaduan komponen OIO dan ASIC dalam tiga dimensi, menawarkan penggunaan kuasa ultra rendah dan pautan cip-ke-cip dengan lebar jalur yang sangat tinggi. Pembungkusan sebegini membolehkan reka bentuk yang lebih besar dan kompleks, tetapi turut memperkenalkan cabaran baharu. Jurutera semakin memerlukan simulasi pelbagai fizik dan elektromagnet untuk menangkap kesan yang muncul yang sebelum ini tidak menjadi kebimbangan pada skala yang lebih kecil.

Sementara itu, optik boleh pasang tidak akan hilang dalam masa terdekat. Optik boleh pasang linear-drive (LPO) berkembang seiring dengan CPO, berkongsi idea yang sama untuk menghapuskan DSP bagi mengurangkan penggunaan kuasa. Walaupun CPO mengecilkan optik dan elektronik menjadi jejak yang sangat padat, optik boleh pasang juga sedang melalui pengecilan untuk menangani faktor bentuknya yang secara sejarahnya besar. Kedua-dua pendekatan ini akhirnya mungkin saling melengkapi dan bukannya bersaing secara langsung, terutamanya apabila pusat data mencari pilihan penggunaan yang fleksibel.

Namun begitu, untuk CPO bergerak melangkaui peringkat bukti konsep dan memperoleh kepercayaan pasaran yang luas, beberapa syarat perlu dipenuhi. Industri perlu membuktikan model perniagaan berbilang vendor yang kukuh, disertai pengurangan kos dan kuasa yang ketara. Sama pentingnya ialah penciptaan komponen yang masih belum tersedia, seperti antara muka optik piawai dan blok IP yang boleh diguna semula. Tiada satu syarikat pun boleh melakukannya sendirian. Kemajuan bergantung pada kerjasama merentas rantaian bekalan—vendor EDA, pereka cip, arkitek sistem, syarikat pembungkusan, penyedia peralatan ujian dan foundri semuanya perlu bekerjasama secara selaras. Membina ekosistem itu bukan tugas kecil, tetapi tekanannya semakin meningkat. Dengan beban kerja AI dan pembelajaran mesin yang mendorong permintaan rangkaian dan pengkomputeran ke wilayah yang belum pernah diterokai, persaingan itu telah pun bermula.