OFC2022: 从Pluggable到CPO的演变

今年OFC有一个workshop, topic是"Is Paradigm Shift from Pluggable Optics to Co-packaged Optics Inevitable in the Next Generation of Datacenters?" 标题是个疑问句，大家对这个问题的回答是“Yes”，是一个共识，但是“might not as smooth as shown”。小豆芽这里整理下各位大佬的观点以及一些相关的进展，供大家参考。

1. CPO的驱动力在哪里？

CPO的驱动力，其实也就是回答为什么选择CPO这一技术路线。CPO的驱动力主要来自以下三个方面，

a) 降低功耗

提及CPO, 大家都会讲到它在降低功耗方面的优势。不同报告人给出了不一样的功耗数值，Broadcom给出的是30%的功耗降低，Intel给出的是15%。典型的指标是5pJ/bit。

b) 提高带宽密度

随着数据量的爆炸式提升，铜互联无法解决board-to-board, rack-to-rack之间的高速数据传输难点，而光互联可以较好地解决该问题。根据Broadcom的估算，带宽密度可以提高50%。另外，CPO也可以解决计算芯片高速IO接口的密度难题，即所谓的Optical IO。下图是CPO在交换机芯片Switch以及计算芯片XPU两个应用方向的示意图，

c) 降低成本

这一点与硅光紧密相关，利用硅光的器件集成度高的优势，CPO模块可以支持更高带宽的速率传输，从而可以降低单位速率的成本，微软给出的数值是<<1$/Gbps。Broadcom预估CPO技术会有40%的成本降低。

2. CPO的难点与挑战

虽然CPO技术的优势很明显，但是也存在较多的技术难点与挑战。大家比较关心的集中在以下几点：

a) 良率

这一点是CPO技术的Achiles's heel, 由于光芯片是直接与电芯片封装在一起的，如果某颗芯片发生了损坏，整个模块就无法正常工作。Pluggable遇到这一问题的话，可以直接替换一个光模块，发挥其flexible的优势。针对这一问题，需要硅光fab进一步优化工艺，提高光器件与系统的可靠性与良率。

b) 封装

由于涉及到高带宽的高速信号传输，需要使用2.5D/3D等高级封装技术，包括高密度bump与TSV技术，使得单位面积芯片可以支持更高速率的信号传输。先进封装技术的引进，也会对良率带来新的挑战。下图是Broadcom的芯片3d封装结构图，与Intel的封装方案类似，PIC放置在EIC上方。

c) 散热控制

无论是switch芯片还是XPU芯片，其本身的功耗非常大。保证整个系统在高温下依旧可以正常工作，也是一个需要解决的难点。另外，硅光芯片中可以引入氮化硅波导，降低温度对光器件的影响。

3. 外置激光器与片上集成激光器的比较

关于这一点，大部分厂家选择的是外置激光器，唯有Intel走的是片上集成的路线，这与Intel的硅光工艺直接相关。下表是Lumetum给出的两个方案比较，

外置激光器方案可以单独对激光器进行散热控制，从而避免大功率电芯片对其散热与性能的影响，激光器本身的散热也不会对PIC和EIC产生影响。外置激光器不会额外占用PIC的面积，因此optical engine的带宽密度不受其影响。外置激光器如果发生损坏，可以方便地替换掉。但是外置激光器需要额外的光学组件与光纤进行耦合封装，成本会有所提高。在链路损耗方面，也需要计入从激光器到光芯片的耦合损耗。另外，由于需要同时支持多个sub-system, CPO系统对激光器光功率提出了新的要求。

4. 各厂家在CPO方向的进展

a) Marvell

Marvell展示了其首款CPO样机，带宽为1.6Tbps, 未来将支持其51.2T的交换机芯片。Marvell没有透露更多的具体细节，小豆芽这里贴一下他们的图片。

b) Broadcom

Broadcom去年发布了其首款CPO产品，今年报告上展示了一些细节，单个CPO模块支持3.2Tbps，整个系统包含4个CPO模块，共12.8Tbps的带宽，如下图所示。

c) Ranovus

Ranovus发布了其第二代产品，带宽为800Gbps，并宣布与Xilinx合作。其CPO模块如下图所示。其采用的是GlobalFoundries的硅光工艺平台。

简单整理一下，大家对CPO的前景是比较认可的，其可以解决功耗与带宽密度这两个痛点，是必然(inevitable)的发展方向。但是目前CPO还处于比较初级的发展阶段，有很多技术难点需要解决，也需要与电芯片、封装等领域的深度合作，有较高的技术瓶颈，需要整个行业的努力往前推进。短期内CPO无法在数据中心大范围部署，CPO未来也会与pluggable光模块共存一段时间。硅光技术在CPO的角色是无可替代的，大部分厂家都是采用微环调制器这一技术，需要控制电路调节微环的工作点。值得一提的是，OFC会上发声的很大一部分来自传统IC厂商，包括Intel、Nvidia、Broadcom、Marvell和Cisco等，或者与大厂展开合作，例如Ranovus与AMD Xilinux。这里面没有看到中国IC的身影，小豆芽不清楚国内是否已经有厂商涉及这一领域。由于还处在初级阶段，大家的起步线是接近的，机会是均等的。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。也欢迎大家向我提问，小豆芽会尽自己的能力给出解释。