共封光學器件，大有可爲
來源：內容由半導體行業觀察編譯自Yole，謝謝。
過去 50 年來，移動技術創新每十年都會推出一次。移動帶寬要求已從語音通話和短信發展到超高清 (UHD) 視頻和各種增強現實/虛擬現實 (AR/VR) 應用。盡管 COVID-19 疫情對電信基礎設施供應鏈產生了深遠影響，但全球消費者和企業用戶仍在繼續創造對網絡和雲服務的新需求。社交網絡、商務會議、超高清視頻流、電子商務和遊戲應用將繼續推動增長。
每個家庭和人均連接互聯網的設備的平均數量正在增加。隨着功能和智能不斷增強的新型數字設備的出現，我們觀察到採用率逐年上升。此外，智能電表、視頻監控、醫療保健監控、互聯驅動器和自動化物流等不斷擴展的機器對機器應用程序極大地促進了設備和連接的增長，並推動了數據中心基礎設施的擴展。
由於預算削減，共封裝光學 (CPO：co-packaged optics) 社區面臨着困難時期，因爲可插拔器件（pluggables ）已經可以實現 CPO 所承諾的成本節約和低功耗。只有當可插拔技術失去動力時，CPO 才會得到全面部署。至少在接下來的兩代交換機系統中，它很難與可插拔模塊競爭，而可插拔模塊在很長一段時間內仍然是首選。CPO 最近因其在數據中心 (DC) 中的網絡能效而受到廣泛關注。我們的分析表明，與 DC 的總功耗相比，網絡節省的功耗可以忽略不計。只有博通、英特爾、Marvell 等少數 CPO 廠商會將專有解決方案推向市場。爲了滿足市場需求並讓最終用戶相信 CPO 的可行性，
最遲到 2029 年，隨着 6.4T 光模塊的到來，CPO 和可插拔光學器件之間可能會發生激烈的競爭。CPO 系統中的多個技術障礙預計屆時將得到解決。然而，收發器行業正在不斷致力於創新，以推動可插拔光學器件市場的發展。在 CPO 系統實現網絡應用的批量出貨之前，可插拔器件將採用聯合封裝方法，光學引擎將在高性能計算和分解的未來系統中獲得更普及。圍繞機器學習 (ML) 系統供應商 Nvidia 和 HPE 的工業生態系統，包括 Ayar Labs、Intel、Ranovus、Lightmatter、AMD、GlobalFoundries 等已取得了不錯的進展，計劃在 2024 年至 2026 年間批量出貨產品。
CPO市場產生的收入在 2022 年達到約 3800 萬美元，預計到 2033 年將達26億美元，2022-2033 年復合年增長率爲 46%。對快速增長的訓練數據集大小的預測表明，數據將成爲擴展 ML 模型的主要瓶頸，因此我們可能會看到人工智能 (AI) 進展放緩。在 ML 硬件中使用光學輸入/輸出 (I/O) 有助於克服此分析的負面結果。這些負面前景是下一代高性能計算 (HPC) 系統採用光學互連的主要驅動力。
光子集成電路可實現低功耗且經濟高效的光學互連的共同封裝
我們預計 800G 和 1.6T 可插拔模塊將受到高度歡迎，因爲它們利用 100G 和 200G 單波長光學器件，因此可以在技術上和成本效益上以 QSFP-DD 和 OSFP-XD 外形尺寸實施。可插拔外形尺寸在所需的電和光密度、熱管理和能源效率方面支持 6.4T 和 12.8 容量的能力將受到限制。由於採用分立電氣器件，功耗和熱管理正在成爲未來可插拔光學器件的限制因素。使用硅光子技術平臺的共封裝旨在克服上述挑战。
光纖距離芯片組越來越近。利用光將數據引入並進行集中處理是架構設計師的主要目標之一。這一趨勢始於十年前，當時是安裝在印刷電路板 (PCB) 上的光學組件的專有設計。這些嵌入式光學互連 (EOI：embedded optical interconnects ) 的理念在板載光學聯盟 (COBO：Consortium for On-Board Optics) 中得以延續，以制定規範，允許在網絡設備制造中使用板載光學模塊。CPO 是一種創新方法，將光學器件和交換機專用集成電路 (ASIC) 緊密結合在一起。由於在50T交換芯片周圍放置16個3.2Tbps光模塊對於當今的技術來說是具有挑战性的，近封裝光學 (NPO) 通過使用位於主板上的高性能 PCB 基板（中介層）來解決這個問題，而 CPO 則將模塊包圍在多芯片模塊基板上的芯片周圍。NPO 中介層更加寬敞，使得芯片和光學模塊之間的信號路由更加容易，同時仍滿足信號完整性要求。相比之下，CPO 將模塊和主機 ASIC 限制得更近，通道損耗更低，功耗也更低。
隨着技術的進步使得通信和計算技術在商業系統中的集成更加緊密，網絡硬件正在出現越來越多的通用組件。此外，人工智能模型的規模正在以前所未有的速度增長，芯片到芯片或板到板的傳統架構（基於銅的電氣互連）的功能將成爲擴展機器學習的主要瓶頸。因此，針對高性能計算 (HPC) 及其新的分解架構出現了新型超短距離光學互連。分解設計區分服務器卡上的計算、內存和存儲組件，並將它們單獨集中。對各種處理單元 (xPU)，特別是中央處理單元 (CPU)、數據處理單元（DPU）、圖像處理單元（GPU）和可編程邏輯器件（FPGA）使用基於光學的互連，而ASIC、存儲等則通過先進光學共封裝方法以獲得更快的速度和更高的帶寬。
數據中心運營商將更喜歡經過驗證的低成本且靈活的解決方案
如今，光插拔模塊市場供應鏈已十分完善。它由分立或集成元件供應商、生產發射器和接收器光學組件（TOSA 和 ROSA）的光學公司、多路復用器、數字信號處理器 (DSP) 和 PCB 以及組裝/測試集成商組成。在這種多供應商市場模式中，涉及許多不同的供應商。此外，一個开關盒中多個不同可插拔模塊的互操作性有助於提高行業的靈活性。這些是目前相對於嚴重依賴硅光子學的 CPO 的主要優勢。憑借高度集成的光學和硅芯片，人們非常需要新的工程能力和代工廠，這對於傳統的中型企業來說是無法接受的。
需要指出的是，盡管高端CPO解決方案的主流部署主要針對大型雲運營商，但仍有大量小型企業數據中心尚未採用最新的互連技術，因此技術交流非常多。這意味着，即使 CPO 成爲主流技術，對於 CPO 在技術或經濟上不可行的多種應用（例如長途應用和邊緣數據中心），可插拔模塊的需求仍然很高。我們預計可插拔技術在未來 10 年內不會被淘汰。然而，可插拔光學器件行業可能會整合，而 CPO 市場將被塑造爲支持多供應商商業模式。
2020年，光互連與交換設備行業對CPO的進一步發展展开了深入而廣泛的討論。此後宣布了多項战略合作，並且出現了第一個概念驗證。業界認真對待這一問題的證據是，光互連論壇 (OIF)、COBO 和多源協議 (MSA) 組織等標準機構已經建立了內部項目來創建 CPO 規範。四大超大規模雲運營商中的兩家——Meta 和微軟——積極支持 CPO 滲透到其雲網絡中。
2022 年，將運送數千臺 CPO 發動機進行試點測試。今年，我們將看到一些宏觀經濟逆風將對預算密集型項目產生負面影響，特別是對於CPO等新興技術。最近的消息表明，大多數 CPO 的主要支持者已經暫停了對 CPO 計劃的支持。甚至最終用戶也不再關注 CPO。Broadcom 仍然是最後一家 CPO 供應商。CPO 失去吸引力有幾個原因。第一個原因是圍繞可插拔設備的完善的工業生態系統。此外，用於可插拔外形尺寸的新光學技術，包括薄膜鈮酸鋰（TFLN）、鈦酸鋇（BTO）、碳和聚合物調制器，可以幫助實現所需的低功耗，並且可以在不改變現有網絡的情況下引入市場系統設計。
AI/ML 系統的 CPO 情況有所不同。未來數十億個光學互連、芯片-芯片和電路板的潛力將推動大型代工廠爲大規模生產做好準備。由於大部分光子制造知識產權 (IP) 都由非代工公司持有，塔爾半導體/英特爾、格芯、日月光集團、臺積電和三星等大型代工廠正在準備硅光子工藝流程，以接受任何光子集成電路（ PIC）設計公司的架構。所有這些都在外圍組件互連 Express (PCIe)、Compute Express Link (CXL) 和通用 Chiplet Interconnect Express (UCIe) 等行業聯盟中聯合起來。小芯片互連的通用規範使得能夠構建超過最大掩模版尺寸的大型片上系統 (SoC) 封裝。這允許在同一封裝內混合來自不同供應商的組件，並通過使用更小的芯片來提高制造產量。每個小芯片可以使用適合特定設備類型或計算性能/功耗要求的不同硅制造工藝。
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