光電共封裝（CPO）：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)和處理技術(shù)的未來

  由于人工智能技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)模型的快速發(fā)展，銅互聯(lián)技術(shù)已難以維系當(dāng)前的需求，將數(shù)據(jù)中心的處理能力和網(wǎng)絡(luò)容量推至極限邊緣。

  為了應(yīng)對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)需求的指數(shù)級增長，同時(shí)降低因處理速度、帶寬和密度提升所帶來的能耗，光學(xué)連接必須更貼近網(wǎng)絡(luò)和處理芯片（IC），以縮短連接芯片的銅線布線長度。光電共封裝（CPO）通過將光學(xué)收發(fā)器（通常稱為光子芯片）與芯片封裝在同一硅基板上，實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)；這項(xiàng)技術(shù)大幅縮短了光學(xué)元件與電氣芯片之間的電氣路徑長度，由此降低了功耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了前所未有的帶寬集中度。

  光纖完勝銅纜：我來解釋原因

  當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到200 Gb/s時(shí)，通過銅纜傳輸電信號所需的功耗開始顯著增加并達(dá)到難以承受的水平，而這正是CPO技術(shù)成為更優(yōu)解決方案的臨界點(diǎn)。CPO系統(tǒng)仍然需要通過光收發(fā)器來完成光電轉(zhuǎn)換過程，但其位置發(fā)生了變化，從位于交換設(shè)備面板上的可插拔模塊，轉(zhuǎn)移到與箱內(nèi)目標(biāo)芯片近距離共封裝的小型芯片（或芯粒）。數(shù)據(jù)中心芯片領(lǐng)域巨頭博通和英偉達(dá)都已推出了基于CPO技術(shù)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，運(yùn)行速度分別為51.2 Tb/s和102.4 Tb/s。

  一“纖”牽起多點(diǎn)

  以精確對準(zhǔn)且可靠的方式將光纖連接至這些收發(fā)器芯?；蚬庾蛹呻娐罚≒IC），是CPO系統(tǒng)發(fā)展的重要驅(qū)動力量。目前，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法是將單模光纖陣列耦合到PIC的邊緣或表面。這兩種方法各有利弊，目前有多家芯片組企業(yè)正并行推進(jìn)相關(guān)研發(fā)工作。但無論采用何種方法，光纖類型都是一樣的，為此康寧正在積極研發(fā)高性能的“光纖到芯片”連接解決方案。

  早期的CPO系統(tǒng)，如博通和英偉達(dá)針對以太網(wǎng)交換推出的解決方案，采用了高通道數(shù)的光纖陣列單元（FAU），旨在將光纖纖芯與PIC內(nèi)部的對應(yīng)波導(dǎo)進(jìn)行精確對接。這些FAU的制造難度很大，因?yàn)樗鼈冃枰獫M足以下要求：高光纖數(shù)配置、混合使用單模（SM）光纖和保偏（PM）光纖、根據(jù)光纖到芯片的耦合機(jī)制集成微光學(xué)元件、極高精度的公差對準(zhǔn)、專為CPO優(yōu)化的光纖以及多個(gè)連接器組件。康寧完全有能力為客戶提供這些復(fù)雜的“箱內(nèi)”線束，并且正在擴(kuò)大業(yè)務(wù)規(guī)模以滿足CPO技術(shù)普及帶來的行業(yè)發(fā)展需求。

  作為2025年光網(wǎng)絡(luò)與通信研討會及博覽會（OFC）活動議程的一部分，康寧發(fā)布了GlassWorks AI?解決方案項(xiàng)下的CPO FlexConnect?光纖——這是康寧專為滿足人工智能網(wǎng)絡(luò)需求打造的一站式解決方案，覆蓋數(shù)據(jù)中心內(nèi)外場景。CPO FlexConnect?光纖采用單模設(shè)計(jì)，具有出色的抗彎曲性能，針對短距離配置場景進(jìn)行了專項(xiàng)優(yōu)化，尤其適用于箱內(nèi)CPO光纖部署場景。

  下圖為FAU組件的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中右側(cè)為PIC端的FAU，左側(cè)是單模/保偏光纖線束和多個(gè)光學(xué)連接器，這些連接器在系統(tǒng)面板內(nèi)側(cè)進(jìn)行對接。

由單模光纖和保偏光纖組成的CPO FAU組件

  在OFC 2025展會上，康寧還展出了兩款箱內(nèi)CPO光纖基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)例。其中一款單機(jī)架單元模型搭載了102.4 Tb/s以太網(wǎng)交換系統(tǒng)，配備了64個(gè)MMC面板連接器和多達(dá)1024根信號光纖，以精密有序的布線方式連接至16個(gè)PIC。這些PIC與交換芯片都位于組件中央位置。此外，面板上安裝的16個(gè)可插拔激光源模塊，通過被稱為保偏光纖的特殊光纖與這些PIC互連。

采用MMC連接器的高密度CPO光纖基礎(chǔ)設(shè)施布局

  另一款參展的CPO光纖基礎(chǔ)實(shí)例是來自Mixx Technologies公司的基于GPU的互連系統(tǒng)。該系統(tǒng)的面板上配置了MMC連接器和可插拔激光源，采用密集排列的單模光纖與保偏光纖的混合架構(gòu)，并配備了光纖管理托盤，確保光纖的配列方式便于后期維護(hù)。康寧已在多個(gè)數(shù)據(jù)中心及電信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中成功部署大量高密度光纖基礎(chǔ)設(shè)施，憑借豐富的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識，能夠確保這些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的規(guī)?；渴?。

  此外，在OFC 2025展會期間，康寧還展示了一種概念驗(yàn)證方案——一種使用帶有集成光波導(dǎo)的玻璃基板，將光纖連接至芯片的先進(jìn)方法。這種方法除了規(guī)模和成本方面的優(yōu)勢外，還可以在PIC邊緣實(shí)現(xiàn)極高的波導(dǎo)密度，將波導(dǎo)間距縮小至約30微米，這遠(yuǎn)超最纖細(xì)的光纖所能達(dá)到的極限間距。下一代光纖到芯片耦合技術(shù)將使GPU光學(xué)技術(shù)成為可能，而這將需要達(dá)到前所未有的密度和規(guī)模水平。憑借在玻璃、連接器和光纖等領(lǐng)域的綜合專長，康寧具備獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠?qū)⑦@些關(guān)鍵組件集成至業(yè)界最先進(jìn)的光纖到芯片連接器，這將助力我們的數(shù)據(jù)中心制造商客戶開發(fā)出下一代CPO設(shè)計(jì)方案。

  CPO曾被視為一種遙不可及的未來技術(shù)，然而，在人工智能技術(shù)迅猛發(fā)展以及對更高傳輸速度、更大密度以及更顯著降低功耗需求的驅(qū)動下，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)從愿景轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。憑借創(chuàng)新的光纖和連接技術(shù)解決方案，康寧擁有滿足這一需求的全部要素，并期待在當(dāng)下和未來持續(xù)推動CPO技術(shù)向前發(fā)展。

  本文作者：Benoit Fleury 康寧光通信CPO業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)