O que é Co-Packaged Optics (CPO)? Visão geral da tecnologia e tendências futuras do mercado

O surgimento dos módulos ópticos co-empacotados (CPOs) está mudando gradualmente a forma como os data centers e as redes de alto desempenho operam. Eles abordam vários desafios inevitáveis: densidade de largura de banda, consumo de energia e escalabilidade futura. Os CPOs aumentam a largura de banda de interconexão e a eficiência energética ao empacotar componentes ópticos e eletrônicos juntos diretamente, ao mesmo tempo que encurtam os comprimentos dos enlaces elétricos. Esse projeto está se tornando cada vez mais importante à medida que o tráfego dos data centers aumenta rapidamente, especialmente diante das demandas cada vez maiores da inteligência artificial e da computação de alto desempenho.

Em comparação com os módulos ópticos plugáveis tradicionais, o CPO demonstra maiores vantagens em altas taxas de dados. Anteriormente, aumentar a velocidade do módulo inevitavelmente levava a um maior consumo de energia. A solução CPO, no entanto, reduz o consumo de energia—testes iniciais indicam reduções de 30% a 50%. Combinada com avanços na tecnologia chip-on-package (CoP) e no encapsulamento 3D-IC, a integração de componentes ópticos com wafers de silício tornou-se mais estreita, reduzindo significativamente a atenuação do sinal e a perda de energia.

À medida que as taxas de dados ultrapassam 800G e até mesmo limites de 1.6T, o CPO oferece um caminho de evolução claro para redes futuras. Com a participação crescente de fabricantes e instituições—especialmente com o aprofundamento da exploração em aplicações de IA—espera-se amplamente que o CPO alcance avanços tanto em eficiência quanto em capacidade, impulsionando, assim, uma transformação substancial na infraestrutura de rede.

O que é a tecnologia Co-Packaged Optics (CPO)?

Módulos ópticos co-empacotados (CPO) adotam uma abordagem integrada ao reunir componentes distintos. Ao posicionar módulos ópticos e chips de silício em um único substrato, os módulos CPO abordam diretamente os desafios de largura de banda, consumo de energia e custo em redes de próxima geração. A tecnologia CPO combina fibra óptica, processamento digital de sinais (DSP), projeto de circuito integrado de aplicação específica (ASIC) e processos avançados de encapsulamento e teste. O CPO oferece benefícios tangíveis para a expansão de data centers tanto nas direções horizontal quanto vertical.

Módulos ópticos conectáveis tradicionais costumam usar processadores de sinal digital (DSPs) de alta potência para compensar perdas durante a transmissão do sinal a partir do circuito integrado de aplicação específica (ASIC). À medida que a tecnologia SerDes avança para 212 Gbps PAM-4 e além, essas perdas se intensificam, criando uma dependência maior dos DSPs. Embora os módulos Linear Regenerative Optical (LRO) ou Linear Pluggable Optical (LPO) tentem eliminar os DSPs, eles continuam suscetíveis a perdas de interconexão. Em contraste, os módulos Co-Packaged Optical (CPO) integram o módulo óptico diretamente na mesma interface de substrato que o ASIC. Isso proporciona maior integração, minimiza as perdas no caminho de transmissão e mantém o consumo de energia dentro de uma faixa mais ideal.

Vantagens dos Componentes Ópticos Co-Packaged

Em termos de consumo de energia, o desempenho do CPO foi validado por vários fabricantes. As primeiras soluções da Broadcom e da Cisco mostraram economia de energia de 30% a 50%, alcançando eficiência energética de interconexão abaixo de um pJ/bit. A Ayar Labs levou isso adiante, alcançando uma taxa de transferência de 16 Tbps em ambas as direções usando menos de cinco pJ/bit. Aqui estão algumas maneiras importantes de economizar energia:

Cabeamento de Cobre Sem Perdas

Os módulos ópticos plugáveis tradicionais exigem que os sinais viajem dos chips ASIC por links de cobre até o painel frontal—um processo longo e com alto consumo de energia. Os designs CPO montam os componentes ativos e os transceptores ópticos no mesmo substrato, eliminando todas as perdas e distorções causadas pelas trilhas de cobre na placa-mãe.

Menor dependência de DSPs

Em arquiteturas com mais de 25G/canal, os retimers DSP são quase essenciais em módulos ópticos conectáveis para compensar perda e distorção de sinal. No entanto, os próprios DSPs aumentam o consumo de energia do sistema em 25% a 30%. O CPO integra chips e componentes ópticos, reduzindo significativamente as perdas na fiação de cobre. Isso permite que os designers usem menos DSP, economizando energia e dinheiro.

Métodos de integração de laser

Há duas abordagens para o posicionamento do laser. O método comum usa um laser externo, alimentando luz no CPO via fibra, mas isso frequentemente incorre em perda de potência óptica de 30% a 50%. A alternativa integra o laser diretamente no chip. Se o gerenciamento térmico e a confiabilidade forem garantidos, esse design oferece eficiência de acoplamento superior.

Alta largura de banda e baixa latência

Os CPOs também oferecem vantagens significativas em largura de banda e latência. A eliminação de DSPs redundantes e de longas trilhas de cobre permite uma transmissão de sinal mais direta e limpa. Os atrasos introduzidos por componentes adicionais, como DSPs e parasitas de trilhas de cobre, estão praticamente ausentes nas arquiteturas CPO.

A aplicação da óptica co-empacotada

CPO em aplicações de rede

Atualmente, o CPO é implantado principalmente em redes front-end de data centers para conectar servidores. Sua alta largura de banda, baixa latência e eficiência energética fazem dele uma das soluções mais promissoras na tecnologia Ethernet óptica de próxima geração, particularmente adequada para aplicações em nível de rede.

800G OSFP vs. 800G CPO

OIO e computação de alto desempenho para IA/ML

O setor está explorando novas arquiteturas devido às demandas computacionais da inteligência artificial e do machine learning. Redes de backend de IA com OIO. Isso é visto como uma direção fundamental para dar suporte a futuros clusters de computação.

Os sistemas HPC tradicionais sofrem com regras rígidas de alocação de recursos que restringem a transferência de dados, impedindo o aproveitamento total do desempenho. Embora as velocidades de CPU e GPU tenham aumentado, a infraestrutura de E/S não acompanhou o mesmo ritmo. Isso resulta em transmissão de dados atrasada, unidades de computação ociosas e eficiência geral reduzida.

À medida que as tarefas de AI/ML se tornam cada vez mais em larga escala, essa contradição se intensifica. A solução está em uma arquitetura de rede capaz de oferecer transmissão de alta velocidade, baixa latência e sem perdas com escalabilidade—precisamente o contexto em que OIO surgiu. Ela carrega grandes expectativas de revolucionar os gargalos de desempenho existentes, potencialmente.

A transformação da arquitetura HPC

No mundo da computação de alto desempenho, arquiteturas decomponíveis estão substituindo lentamente os antigos modelos isolados. A nova abordagem envolve separar as partes de memória, computação e armazenamento de um computador e, em seguida, reuni-las em grupos flexíveis por meio de conexões OIO avançadas. Isso permite ajustar facilmente a forma como você usa seus recursos, o que é melhor do que a maneira antiga de fazer as coisas, pois é mais flexível e eficiente.

Desafios enfrentados pelos componentes ópticos co-empacotados

Problemas de dependência de fornecedor

Quando tanto os switches quanto os componentes ópticos vêm do mesmo fornecedor, os operadores enfrentam opções limitadas. Depois que um investimento significativo é feito em um ecossistema específico, torna-se difícil mudar para produtos de outros fornecedores. Isso reduz a flexibilidade para upgrades ou substituições de componentes e pode levar à dependência no longo prazo.

Manutenção e confiabilidade

Módulos ópticos plugáveis são excelentes porque são altamente modulares. Isso significa que, se uma peça quebrar, ela pode ser facilmente substituída. Eles também são intercambiáveis com produtos de qualquer fabricante. Mas esse não é o caso dos CPOs. Quando um componente óptico para de funcionar, muitas vezes todo o switch precisa ser desmontado. Isso torna a substituição muito mais difícil e cara. Para resolver isso, alguns projetos incorporam componentes de alto risco, como lasers, em peças que podem ser substituídas remotamente. Outros exploram conectores ópticos plugáveis para facilitar a manutenção.

Desafios térmicos

Colocar chips fotônicos dentro de pacotes eletrônicos pode aumentar o risco de interferência térmica. Aquecedores e fontes de laser no chip fotônico geram calor, enquanto a energia térmica dos chips eletrônicos flui para a seção fotônica. Combinado com o projeto de resfriamento em nível de sistema, o comportamento térmico se torna significativamente mais complexo. Portanto, é necessária uma análise térmica abrangente, desde o nível do chip até o nível do sistema.

Integridade de sinal e energia

Os sistemas CPO exigem simulação transiente global para garantir tanto a transmissão estável de sinais quanto o fornecimento de energia ininterrupto. Isso envolve considerar o acoplamento entre circuitos elétricos e fotônicos, além de incorporar os efeitos parasitas introduzidos por várias interconexões elétricas durante a etapa de encapsulamento.

Escalabilidade e densidade de largura de banda de borda

Uma métrica-chave para CPO e OIO é a densidade de largura de banda na borda—quantas fibras podem ser acomodadas na periferia do chip. As fibras geralmente são acopladas pela borda. A diferença de tamanho entre a fibra e o guia de onda cria problemas quando se trata de fan-out. Tente imaginar colocar milhares de fibras em um substrato sem aumentar seu tamanho—isso quase sempre encontra uma barreira. Para superar isso, a indústria propôs métodos como estruturas em V-groove, que organizam as fibras verticalmente para evitar danos quando são conectadas. Novas abordagens, como microlentes baseadas em grades, também estão em pesquisa ativa.

Desafios de fabricação e teste

Alcançar a produção em massa real depende dos custos e das taxas de rendimento. Garantir qualidade consistente e processos de teste robustos é particularmente crítico em cenários de cadeia de suprimentos com múltiplos fornecedores. À medida que a demanda cresce e o investimento de capital aumenta, esses requisitos continuarão a se intensificar.

Tendências de Mercado que Moldam o Futuro do CPO

Na indústria de semicondutores, uma abordagem atualmente popular envolve o uso de designs de chiplets, que diferem da integração de todas as funções em um único sistema em chip (SoC). A abordagem de chiplets divide a funcionalidade em vários pequenos chips independentes, cada um dos quais pode ser encapsulado e combinado para trabalhar em conjunto. Esse design oferece maior flexibilidade no projeto de chips e simplifica a transição dos SoCs tradicionais para arquiteturas de sistema em pacote (SiP). A tecnologia de chiplets pode se mostrar um fator-chave para avançar a adoção da tecnologia CPO. Eles permitem a combinação de diferentes tecnologias dentro do mesmo pacote—por exemplo, parear um chiplet de E/S óptica construído em um nó CMOS maduro com um ASIC fabricado em um processo de ponta. Essa combinação reduz custos, melhora o rendimento e torna todo o ecossistema mais adaptável.

Ao mesmo tempo, a tecnologia 3D-IC está abrindo novas possibilidades para a densidade de integração. Os designs atuais de CPO normalmente posicionam chips ópticos e elétricos lado a lado em um substrato de baixa perda; no entanto, empilhá-los verticalmente é o próximo passo lógico. Uma arquitetura CPO 3D-IC permitiria a integração de componentes OIO e ASIC em três dimensões, oferecendo links chip a chip de potência ultrabaixa e largura de banda extremamente alta. Esse tipo de encapsulamento permite designs maiores e mais complexos, mas também introduz novos desafios. Os engenheiros precisam cada vez mais de simulações multifísicas e eletromagnéticas para capturar efeitos emergentes que não eram uma preocupação em escalas menores.

Enquanto isso, óptica conectável não vão desaparecer tão cedo. Ópticas conectáveis de acionamento linear (LPO) estão evoluindo juntamente com CPO, compartilhando a mesma ideia de remover o DSP para reduzir o consumo de energia. Enquanto CPO reduz ópticas e eletrônicos a uma pegada incrivelmente compacta, os conectáveis também estão passando por miniaturização para lidar com seu formato historicamente volumoso. As duas abordagens podem, em última análise, complementar-se em vez de competir diretamente, especialmente à medida que os data centers buscam opções flexíveis de implantação.

Ainda assim, para que o CPO avance além da fase de prova de conceito e conquiste ampla confiança do mercado, várias condições devem ser atendidas. A indústria precisará demonstrar um modelo de negócios robusto com vários fornecedores, acompanhado de reduções tangíveis de custos e energia. Igualmente importante é a criação de peças ausentes, como interfaces ópticas padronizadas e blocos de IP reutilizáveis. Nenhuma empresa consegue fazer isso sozinha. O progresso depende da colaboração em toda a cadeia de suprimentos—fornecedores de EDA, projetistas de chips, arquitetos de sistemas, empresas de encapsulamento, fornecedores de equipamentos de teste e fundições precisam trabalhar em sincronia. Construir esse ecossistema não é uma tarefa pequena, mas a pressão está aumentando. Com cargas de trabalho de IA e aprendizado de máquina levando as demandas de rede e computação a um território inexplorado, a corrida já começou.