Что такое оптика с совместной упаковкой (CPO)? Обзор технологии и будущие тенденции рынка

Появление оптических модулей с совместным корпусированием (CPO) постепенно меняет принцип работы центров обработки данных и высокопроизводительных сетей. Они решают несколько неизбежных проблем: плотность пропускной способности, энергопотребление и будущую масштабируемость. CPO повышают пропускную способность межсоединений и энергоэффективность за счет непосредственного совместного размещения оптических и электронных компонентов, одновременно сокращая длину электрических линий связи. Эта конструкция становится все более важной по мере роста трафика в центрах обработки данных, особенно с учетом постоянно растущих требований искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений.

По сравнению с традиционными подключаемыми оптическими модулями CPO демонстрирует более высокую эффективность при высоких скоростях передачи данных. Ранее увеличение скорости модуля неизбежно приводило к повышению энергопотребления. Однако решение CPO снижает энергопотребление—ранние испытания показывают снижение на 30–50%. В сочетании с достижениями в области технологии чипов в корпусе (CoP) и 3D-IC-упаковки интеграция оптических компонентов с кремниевыми пластинами стала более тесной, что значительно снижает затухание сигнала и потери энергии.

По мере того как скорости передачи данных превышают 800G и даже порогов 1.6T CPO обеспечивает четкий путь развития для сетей будущего. При расширении участия производителей и учреждений—особенно при углублении исследований в области применения ИИ—широко ожидается, что CPO позволит добиться прорывов как в эффективности, так и в пропускной способности, тем самым обеспечив существенную трансформацию сетевой инфраструктуры.

Что такое технология Co-Packaged Optics (CPO)?

Оптические модули с совместной упаковкой (CPO) используют интегрированный подход, объединяя различные компоненты в единый блок. Размещая оптические модули и кремниевые микросхемы на одной подложке, модули CPO напрямую решают проблемы пропускной способности, энергопотребления и стоимости в сетях следующего поколения. Технология CPO сочетает волоконную оптику, цифровую обработку сигналов (DSP), разработку специализированных интегральных схем (ASIC), а также передовые процессы упаковки и тестирования. CPO обеспечивает ощутимые преимущества для расширения центров обработки данных как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.

В традиционных подключаемых оптических модулях часто используются мощные процессоры цифровой обработки сигналов (DSP), чтобы компенсировать потери при передаче сигнала от специализированной интегральной схемы (ASIC). По мере развития технологии SerDes до 212 Гбит/с PAM-4 и выше эти потери усиливаются, что увеличивает зависимость от DSP. Несмотря на то что линейные регенеративные оптические (LRO) или линейные подключаемые оптические (LPO) модули пытаются устранить DSP, они по-прежнему подвержены потерям в межсоединениях. В отличие от них, модули оптики в одном корпусе (CPO) интегрируют оптический модуль непосредственно на той же подложке, что и ASIC. Это обеспечивает более высокую степень интеграции, минимизирует потери в тракте передачи и поддерживает энергопотребление в более оптимальном диапазоне.

Преимущества оптических компонентов в общем корпусе

Что касается энергопотребления, производительность CPO была подтверждена несколькими производителями. Ранние решения Broadcom и Cisco продемонстрировали экономию энергии от 30% до 50%, обеспечив энергоэффективность межсоединений менее одного пДж/бит. Ayar Labs пошла еще дальше, достигнув пропускной способности 16 Тбит/с в обоих направлениях при энергозатратах менее пяти пДж/бит. Вот несколько основных способов сэкономить энергию:

Медные кабели без потерь

В традиционных подключаемых оптических модулях сигналы проходят от микросхем ASIC через медные линии к передней панели—это длительный и энергоёмкий процесс. В конструкциях CPO активные компоненты и оптические трансиверы устанавливаются на одной подложке, что устраняет все потери и искажения, вызванные медными дорожками на материнской плате.

Снижение зависимости от DSP

В архитектурах с пропускной способностью более 25G на канал ретаймеры DSP практически необходимы в подключаемых оптических модулях для компенсации потерь и искажений сигнала. Однако сами DSP увеличивают энергопотребление системы на 25–30%. CPO объединяет микросхемы и оптические компоненты, значительно сокращая потери в медной проводке. Это позволяет разработчикам использовать меньше DSP, экономя электроэнергию и средства.

Методы интеграции лазеров

Существует два подхода к размещению лазера. Распространенный метод использует внешний лазер, подающий свет в CPO по оптоволокну, но это часто приводит к потере от 30% до 50% оптической мощности. Альтернативный вариант предусматривает интеграцию лазера непосредственно на кристалле. Если обеспечены эффективное управление тепловыделением и надежность, такая конструкция обеспечивает более высокую эффективность сопряжения.

Высокая пропускная способность и низкая задержка

CPO также обеспечивают значительные преимущества по пропускной способности и задержке. Устранение избыточных DSP и длинных медных дорожек обеспечивает более прямую и чистую передачу сигналов. Задержки, вызываемые дополнительными компонентами, такими как DSP, и паразитными эффектами медных дорожек, практически отсутствуют в архитектурах CPO.

Применение оптики с совместной упаковкой

CPO в сетевых приложениях

В настоящее время CPO в основном развертывается во фронтенд-сетях центров обработки данных для подключения серверов. Высокая пропускная способность, низкая задержка и энергоэффективность делают его одним из наиболее перспективных решений в технологии оптического Ethernet следующего поколения, особенно подходящим для приложений на сетевом уровне.

800G OSFP против 800G CPO

OIO и высокопроизводительные вычисления для AI/ML

Отрасль изучает новые архитектуры из-за вычислительных требований искусственного интеллекта и машинного обучения. Серверные сети ИИ на базе OIO. Это рассматривается как ключевое направление поддержки будущих вычислительных кластеров.

Традиционные системы HPC страдают от жестких правил распределения ресурсов, ограничивающих передачу данных и препятствующих полноценному использованию производительности. Хотя скорости CPU и GPU увеличились, инфраструктура ввода-вывода не успевает за ними. Это приводит к задержкам передачи данных, простоям вычислительных блоков и снижению общей эффективности.

По мере того как задачи AI/ML становятся все более масштабными, это противоречие усиливается. Решение заключается в сетевой архитектуре, способной обеспечить высокоскоростную передачу данных без потерь с низкой задержкой и возможностью масштабирования—именно в таком контексте появился OIO. От него ждут революционного устранения существующих узких мест производительности, что потенциально.

Трансформация архитектуры HPC

В мире высокопроизводительных вычислений декомпозируемые архитектуры постепенно заменяют старые изолированные модели. Новый подход предполагает разделение компонентов компьютера, отвечающих за память, вычисления и хранение данных, а затем их объединение в гибкие группы с помощью передовых соединений OIO. Это позволяет легко корректировать способ использования ресурсов, что делает новый подход более гибким и эффективным по сравнению с традиционным.

Проблемы компонентов оптической связи с совместной установкой в одном корпусе

Проблемы зависимости от поставщика

Когда и коммутаторы, и оптические компоненты поставляются одним и тем же производителем, операторы сталкиваются с ограниченным выбором. После значительных инвестиций в определенную экосистему перейти на продукцию других поставщиков становится сложно. Это снижает гибкость при модернизации или замене компонентов и в долгосрочной перспективе может привести к зависимости от поставщика.

Обслуживание и надежность

Сменные оптические модули удобны благодаря высокой модульности. Это означает, что при выходе детали из строя ее можно легко заменить. Они также взаимозаменяемы с продукцией любого производителя. Однако для CPO это не так. Когда оптический компонент перестает работать, часто необходимо разобрать весь коммутатор. Это значительно усложняет и удорожает замену. Для решения этой проблемы в некоторых конструкциях компоненты высокого риска, такие как лазеры, устанавливаются в части, которые можно заменить удаленно. Другие решения предусматривают использование сменных оптических разъемов для упрощения технического обслуживания.

Проблемы тепловыделения

Размещение фотонных чипов внутри электронных корпусов может повысить риск тепловых помех. Нагреватели и лазерные источники в фотонном чипе выделяют тепло, а тепловая энергия от электронных чипов передается в фотонную секцию. В сочетании с системой охлаждения на уровне системы тепловое поведение становится значительно более сложным. Поэтому необходим комплексный тепловой анализ от уровня чипа до уровня системы.

Целостность сигналов и электропитания

Системы CPO требуют глобального моделирования переходных процессов для обеспечения стабильной передачи сигнала и бесперебойного электропитания. Это предполагает учет связи между электрическими и фотонными цепями, а также паразитных эффектов, возникающих из-за различных электрических межсоединений на этапе корпусирования.

Масштабируемость и плотность пропускной способности на периферии

Ключевым показателем для CPO и OIO является плотность пропускной способности на периферии — то есть количество волокон, которые можно разместить по краю чипа. Обычно волокна соединяются с торца. Разница в размерах волокна и волновода создает проблемы при разветвлении. Представьте себе размещение тысяч волокон на подложке без увеличения ее размера — это почти всегда приводит к ограничению. Для решения этой проблемы отрасль предложила такие методы, как V-образные канавки, которые располагают волокна вертикально, предотвращая их повреждение при подключении. Новые подходы, например микролинзы на основе дифракционных решеток, также активно исследуются.

Проблемы производства и тестирования

Достижение фактического массового производства зависит от стоимости и коэффициента выхода годных изделий. Обеспечение стабильного качества и надежных процессов тестирования особенно важно в сценариях с цепочками поставок от нескольких поставщиков. По мере роста спроса и увеличения капитальных вложений эти требования будут продолжать возрастать.

Тенденции рынка, определяющие будущее CPO

В полупроводниковой отрасли в настоящее время широко применяется подход с использованием конструкций на основе чиплетов, которые отличаются от интеграции всех функций в одну систему на кристалле (SoC). Подход с чиплетами разделяет функциональность на несколько независимых небольших микросхем, каждую из которых можно упаковать и объединить с другими для совместной работы. Такая конструкция обеспечивает большую гибкость при разработке чипов и упрощает переход от традиционных SoC к архитектурам система-в-корпусе (SiP). Технология чиплетов может стать ключевым фактором, способствующим внедрению технологии CPO. Она позволяет объединять различные технологии в одном корпусе—например, оптический чиплет ввода-вывода, изготовленный по зрелому техпроцессу CMOS, с ASIC, произведенным по передовому техпроцессу. Такое сочетание снижает стоимость, повышает выход годных изделий и делает всю экосистему более адаптивной.

В то же время технология 3D-IC открывает новые возможности для увеличения плотности интеграции. В современных конструкциях CPO оптические и электрические чипы обычно размещаются рядом на подложке с низкими потерями; однако их вертикальная укладка является следующим логичным шагом. Архитектура 3D-IC CPO позволит интегрировать компоненты OIO и ASIC в трех измерениях, обеспечивая сверхнизкое энергопотребление и чрезвычайно высокую пропускную способность межчиповых соединений. Такая упаковка позволяет создавать более крупные и сложные конструкции, но также создает новые проблемы. Инженерам все чаще требуются мультифизические и электромагнитные симуляции для учета возникающих эффектов, которые не представляли проблемы при меньших масштабах.

Тем временем, подключаемая оптика не исчезнут в ближайшее время. Подключаемая оптика с линейным приводом (LPO) развивается параллельно с CPO, разделяя ту же идею отказа от DSP для снижения энергопотребления. В то время как CPO объединяет оптику и электронику в чрезвычайно компактном корпусе, подключаемые модули также миниатюризируются, чтобы решить проблему их исторически громоздкого форм-фактора. В конечном итоге эти два подхода могут дополнять друг друга, а не напрямую конкурировать, особенно по мере того, как центры обработки данных стремятся к гибким вариантам развёртывания.

Тем не менее, чтобы CPO вышла за рамки стадии проверки концепции и завоевала широкое доверие рынка, необходимо выполнить несколько условий. Отрасли потребуется продемонстрировать устойчивую бизнес-модель с участием нескольких поставщиков, сопровождаемую ощутимым снижением затрат и энергопотребления. Не менее важным является создание недостающих компонентов, таких как стандартизированные оптические интерфейсы и повторно используемые IP-блоки. Ни одна компания не сможет справиться с этим в одиночку. Прогресс зависит от сотрудничества по всей цепочке поставок—поставщики EDA, разработчики микросхем, системные архитекторы, предприятия по корпусированию, поставщики испытательного оборудования и фабрики должны работать согласованно. Создание такой экосистемы — непростая задача, но давление растёт. Поскольку рабочие нагрузки ИИ и машинного обучения выводят требования к сетям и вычислительным ресурсам на неизведанную территорию, гонка уже началась.