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產業脈動|CPO 賦能矽光子,開創高速傳輸新紀元
作者 張筠苡
刊登日期:2024/09/02
摘要
鑒於5G、AI及雲端服務的迅速發展,數據流量激增,對網路和記憶體頻寬的需求大幅提升。共封裝光學(Co-Packaged Optics, CPO)技術將光學元件與矽基元件整合在單一封裝基板上,顯著提升傳輸效率並減少延遲,從而應對高頻寬與高能耗的挑戰。本文透過對應用市場的剖析、技術議題的探討以及廠商動態的調查,嘗試描繪CPO技術的發展輪廓。2023年,CPO市場規模為900萬美元,預計到2028年將成長至4,050萬美元,五年間年複合成長率(CAGR)可達35.1%。而資料中心和高性能運算(High-Performance Computing, HPC)領域是主要應用,未來隨著技術落地和大規模量產,CPO市場將持續擴展,驅動未來數據傳輸的革新。本文將深入探討CPO技術在不同應用領域的具體實踐、面臨的技術挑戰及主要廠商的最新動態,提供產業洞見和市場前瞻性分析。
Abstract
With the rapid development of 5G, AI, and cloud services, data traffic has surged, significantly increasing the demand for network and memory bandwidth. Co-Packaged Optics (CPO) technology, which integrates optical and silicon components on a single package substrate, significantly enhances transmission efficiency and reduces latency, thereby addressing the challenges of high bandwidth and high energy consumption. This article aims to outline the development of CPO technology through market analysis, technical issues exploration, and investigation of industry dynamics. In 2023, the CPO market was valued at $9 million, and it is projected to grow to $40.5 million by 2028, with a compound annual growth rate (CAGR) of 35.1% over five years. The primary applications are in data centers and high-performance computing (HPC) sectors. As technology matures and large-scale production begins, the CPO market is expected to expand continuously, driving innovation in data transmission. This article will delve into the practical applications of CPO technology across different fields, the technical challenges faced, and the latest developments from major companies, providing industry insights and market foresight.
前言
為迎接5G時代的來臨,市場對高頻寬運算、傳輸和儲存的需求迅速成長,此現象在AI及HPC應用的推動下尤為明顯。隨著資料傳輸量的顯著提升,電子訊號傳輸的損失問題變得愈發顯著,引發的熱管理與功耗挑戰亟待解決,因此產業界試圖以光子取代電子,作為數據傳輸的媒介。
矽光子技術利用CMOS技術在矽晶片上整合光電通訊模組,透過光訊號傳輸和電訊號運算,提供更佳解方。然而,由於其過程中涉及多種光電訊號的轉換,並且需要將這些技術縮小至積體電路的維度上,技術門檻相當高。
在此背景下,共封裝光學技術應運而生,成為實現矽光子電光互連的重要過渡階段。CPO技術的核心在於將先進光學元件(又稱光引擎)與矽基元件(通常是ASIC)整合在單一封裝基板上,旨在應對未來頻寬和能耗的挑戰。這一創新技術整合光纖、數位訊號處理(DSP)、交換器ASIC以及尖端的封裝和測試技術,為資料中心和雲端基礎設施帶來突破性的系統價值。
由於CPO技術將光電元件置於相同的封裝中,減少訊號傳輸距離和相關損耗下,可提升整體性能和能效。傳統的電子訊號傳輸方式存在固有的限制,在高頻寬和長距離傳輸時,損耗和延遲問題尤為突出。而CPO技術的出現,將有效克服這些瓶頸,利用光訊號在長距離傳輸中的低損耗特性,大幅提升系統的傳輸效率。此外,CPO技術亦具有高度的可擴展性和靈活性,能夠滿足未來不同應用場景的需求。從大型資料中心到分散的雲端基礎設施,CPO技術皆能提供高效且穩定的解決方案。而靈活性源自於CPO技術在設計和製造上的優勢,使其能夠快速適應不斷變化的市場需求。
CPO作為新一代光電互連的核心技術,預計將在未來幾年內迎來快速成長,成為推動半導體創新與發展的關鍵驅動力。
CPO技術關鍵議題
1. CPO架構演進實現最佳電光整合
CPO 將光通訊模組從PCB搬到同一個封裝基板上,與光交換晶片透過先進封裝技術整合在一起,減少電子訊號連接距離和延遲,並減輕訊號損失的問題,從而顯著提升傳輸效能。
(1)可插拔光學(Pluggable Optics)
然而,CPO的最終型態無法一步到位,從2000年至今,可插拔光學為市場中光電訊號轉換的主流元件,已進入量產階段。其結構設計簡單,類似於USB介面,外接兩條光纖分別用於發射和接收光訊號,並且靈活性高,易於升級和維護,能適應不同的網路需求。插拔式光收發模組主要透過 PCB 連接,光訊號藉由光纖傳輸到光模組後,轉回電訊號進行處理,再經過SerDes傳輸通道送到 ASIC。這樣的設計可改善訊號損耗,並提高整體傳輸速度。然而,由於訊號需要經過電路板和載板,最終抵達Switch ASIC,過程中仍可能導致訊號延遲以及一定程度的訊號損失。
在插拔式光收發模組中,存在多種形式,例如SFP、QSFP、CFP等,這些模組廣泛應用於資料中心和高效能運算環境中,因其不僅提供卓越的傳輸性能,還具備易於部署與維護的優點,可滿足不同的速度和距離需求。其中Quad Small Form-factor Pluggable(QSFP)是一種常見的標準。QSFP模組以其高密度和高性能著稱,能夠支持100G、400G甚至800G的數據傳輸速率。QSFP模組透過標準化的接口設計,使得現有系統的升級與擴展變得更加簡便,有助於降低營運成本並同時提高整體效率。
(2)板上光學(On-Board Optics, OBO)
隨著技術的進步,2018年起,光學收發模組逐漸過渡到板上光學技術的型態。OBO允許光學元件直接放置在與電子元件相同的電路板中,縮短光學模組與ASIC之間的距離,從而減少訊號傳輸過程中的損耗和延遲,並且實現光學系統更有效的散熱和微型化。此配置透過OBO連接器將光學模組和光纖相連,使得資料中心和網路設備能夠處理更高的數據傳輸量。OBO技術提供一種在保持現有PCB設計基礎上提升性能的途徑,適應不斷成長的資料量需求。
(3)近封裝光學(Near-Package Optics, NPO)
而自2020年起,技術進一步發展至近封裝光學的型態。NPO技術將光學元件整合到與交換ASIC相同的封裝中,但光學元件並非直接安裝在電子元件上,而是通過高性能PCB基板進行水平連接。此設計提供了折衷方案,既能顯著提高數據傳輸速率,又能改善訊號完整性。作為CPO的過渡階段,NPO的應用使得資料中心和雲端服務商能於現有基礎設施,提升系統性能,在不大幅增加成本的情況下,過渡到更高效、更節能的光學通訊技術。
(4)共封裝光學(Co-Packaged Optics, CPO)
預計到2026年,未來的共封裝光學技術將趨於成熟,實現光通訊模組和光交換晶片在同一封裝基板上的完全整合,可提供更短的光學路徑,從而達到最佳的訊號傳輸性能和最低的能量損耗,同時降低系統複雜度,解決晶片以及封裝層面的互連挑戰。然而,在商業化進程上仍將面臨成本、可擴展性和行業採用等挑戰,需要先進的製造工藝和精確的對位技術。CPO技術在大幅提升數據傳輸效能之下,將有望在先進資料中心、高性能運算以及新興技術如5G網路以及人工智慧中發揮重要作用。
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