產業脈動｜CPO 賦能矽光子，開創高速傳輸新紀元

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。