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最近，人們對光協(xié)同封裝（CPO: Co-Package Optics）產(chǎn)生了濃厚的興趣。這可能是因為它是降低功率和增加服務(wù)器封裝之間帶寬的有力候選者之一。2025年2月16日至20日，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界在舊金山的ISSCC 2025上發(fā)表了多篇與此主題相關(guān)的論文。如今，服務(wù)器的規(guī)模越來越大，尤其是在人工智能領(lǐng)域。世界上有很多人試圖建立一個超大規(guī)模的服務(wù)器群。這不僅使服務(wù)器之間的通信數(shù)據(jù)消耗更大，而且使封裝之間的通信數(shù)據(jù)消耗更大。在這種情況下，CPO技術(shù)受到了關(guān)注。作者想分享其中的一些努力。
圖1 能耗預(yù)測（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與數(shù)據(jù)中心在整體能耗中占比越來越高。）
博通Broadcom的Tomahawk 5 - Baily
首先，Broadcom在受邀行業(yè)會議上簡要提到了Tomahawk 5(TH5)–Bailly，分享了其51.2Tbps和6pJ/b的功耗效率數(shù)據(jù)。TH5-Bailly也可以在博通公司的演示展位上觀看。Broadcom堅稱TH5-Bailly自2023年就已經(jīng)量產(chǎn)，據(jù)悉 TH5-Bailly已向其客戶提供樣品。但沒有提到它何時會在市場上廣泛可以購買獲得。
圖2 TH5-Bailly: 直接驅(qū)動光協(xié)同封裝Direct Drive CPO
圖3 TH5-Bailly: 展位現(xiàn)場展示
Intel的直接驅(qū)動光學(xué)引擎
Intel還發(fā)表了一篇題為“基于 0.9pJ/b 108Gb/s PAM4 VCSEL 的直接驅(qū)動光學(xué)引擎”的論文。該論文討論了使用4級脈沖幅度調(diào)制（PAM4: Pulse Amplitude Modulation 4-Level）方案代替之前提出的不歸零（NRZ: Non-Return-to-Zero）調(diào)制方案來改善帶寬和功耗。此外，Intel通過使用3D打印聚合物波導(dǎo)代替機(jī)械光學(xué)接口(MOI: Mechanical Optical Interface)實現(xiàn)直接光學(xué)布線(DOW: Direct Optical Wiring)，展示了外形尺寸方面的進(jìn)步，實現(xiàn)了1/4的占地面積（11x8平方毫米 vs. 4x6平方毫米）和1/3的高度（3.5毫米 vs. 1毫米）。
Intel堅持認(rèn)為他們專注于高線性度PAM4光學(xué)引擎以獲得高帶寬。為了實現(xiàn)平坦的寬帶響應(yīng)，設(shè)計了復(fù)合零（complex-zeor）的連續(xù)時間線性均衡器（CTLE: Continuous Time Linear Equalizer），使用重疊電感和分流反饋，實現(xiàn)了小電感面積的高線性度。Intel展示了使用有源復(fù)合零CTLE的VCSEL驅(qū)動電路和TIA前端電路的設(shè)計過程細(xì)節(jié)。因此，Intel在108Gb/s PAM4中實現(xiàn)了0.9pJ/b的能效。
圖4 INTEL: 直接光連線（DOW: Direct Optical Wire）
圖5 INTEL: 直接驅(qū)動光引擎Direct-Drive Optical Engine
圖6 INTEL: (a) VCDRV+VCSEL光學(xué)測量, (b) 直接驅(qū)動光引擎測量。
并行光學(xué)和microLED
密歇根大學(xué)電氣與計算機(jī)工程教授Ehsan Afshari博士的演講最吸引TechInsights編輯的注意。他的論文“并行與串行：基于MicroLED的D2D通信光收發(fā)器”在一個論壇分會Forum Session上發(fā)表。他的論文中的關(guān)鍵點是使用uLED代替激光來實現(xiàn)低功耗，并使用并行光學(xué)鏈路來增加帶寬。
圖7 基于uLED全雙工光鏈路的微觀視圖
圖8 基于uLED全雙工光鏈路的宏觀視圖
圖9 基于uLED的1Tb/s演示芯片
Ehsan Afshari博士展示了采用130nm CMOS工藝實現(xiàn)的32x2Gb/s的結(jié)果，并展示了一款演示芯片，該芯片在TSMC N16工藝芯片上結(jié)合了304個LED和光電二極管，實現(xiàn)了 1.2Tbps（4Gbps/通道x304通道）帶寬，金沙電玩城鏈路功率小于1pJ/bit。Ehsan Afshari博士的目標(biāo)明確而簡單：針對芯片間或封裝間通信，而不是長距離通信。他最后的總結(jié)評論是：“去雜貨店別坐飛機(jī)！”
圖10 Ehsan Afshari博士的最后評論
總結(jié)
雖然博通和Intel的目標(biāo)市場與Ehsan Afshari博士的目標(biāo)市場不同，但他們都以低功耗、高帶寬為目標(biāo)。在這次會議上，TechInsights編輯并沒有看到真正的CPO運(yùn)作。但能感覺到，在現(xiàn)實市場中看到各種CPO的時間不會太長。在GTC 2025上，NVIDIA聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官黃仁勛宣布，NVIDIA的CPO產(chǎn)品將在2025 年下半年出現(xiàn)，即NVIDIA的Quantum-X Photonics和Spectrum-X，它們是基于硅光的網(wǎng)絡(luò)交換芯片。在實現(xiàn)AI技術(shù)的眾多技術(shù)中，高性能計算和低功耗是最重要的技術(shù)。要增強(qiáng)超強(qiáng)AI發(fā)展，不僅需要更高性能的計算，而且功耗降低技術(shù)也是必不可少的。在不久的將來，像“星際之門Stargate”這樣的大型服務(wù)器群將會出現(xiàn)，提高性能和降低功耗的努力將繼續(xù)下去。包括CPO在內(nèi)的光鏈路的作用備受期待。
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（來源：TechInsights博客，2025年3月24日，作者：Porter Seo）
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