簡介
數據中心、云計算和人工智能的快速發展對高性能計算和數據通信的需求與日俱增。協同封裝光學（CPO）技術和 GPU 互連已成為滿足這一需求的關鍵解決方案。本文將探討 CPO 配置技術、GPU 互聯技術、行業領導者的案例研究、激光源的各種應用以及光電產品設計自動化的統一工作流程。
CPO 配置技術
CPO 技術將光電子和電子元件集成到單個封裝中，實現了更緊湊、更低功耗和更低延遲的數據傳輸。CPO 交換機是這一技術的主要應用，通常由交換機 ASIC、多個 CPO 模塊、外部激光源 （ELS） 模塊、基板和光纖組成。CPO 模塊集成了硅基光電子集成電路 （PIC） 和電子集成電路 （EIC），是實現高帶寬光通信的關鍵。
目前，主要芯片制造商都已發布了支持 CPO 的 51.2Tbps 以太網交換機芯片，如 Broadcom 的 Tomahawk 5、NVIDIA 的 Bally、Marvell 的 Jericho3-AI、Cisco 的 Spectrum 4 和 Teralynx 10。這些芯片支持各種 I/O 配置，包括可插拔收發器和 CPO 模塊。
GPU 互連技術
GPU 鏈路是 CPO 技術的另一種應用場景，可實現 GPU 和交換機之間的連接。在 GPU 機架中，每個 GPU 卡都包含一個 CPO 模塊，通過 MTP 連接器與交換卡建立光互連。交換機芯片周圍的交換機卡集成了多個 CPO 模塊。這種架構單層 GPU 機架的數據傳輸速率可達 86.4Tbps，單層交換機機架的數據傳輸速率可達 259.2Tbps。
行業領先者的案例研究
臺積電展示了基于基板上芯片（CoWoS）封裝技術的 CPO 模塊，而博通則采用了 SiPh Chiplet Integration Package（SCIP）方法。Marvell 則選擇了 2.5D 集成技術。思科的 Silicon One 系列交換芯片同時支持可插拔收發器和 CPO 技術。此外，Fabrinet（前 Raysung Photonics）已成功開發出 6.4Tbps CPO 模塊，并在 OFC 2024 上進行了展示。
激光源的多樣化應用
1.集成激光源 （ILS）： 單片光學解決方案
集成激光源 （ILS） 是指將激光源與 PIC 集成在同一封裝上，形成單一封裝解決方案。英特爾、Marvell 和 Broadcom 等公司已經推出了具有 ILS 功能的 PIC。ILS 技術的優點是封裝更緊湊、功耗更低，缺點是制造工藝復雜、成本較高。
2.外部激光源 （ELS）： 片外器件的優勢和應用
外部激光源 （ELS） 將激光源與 PIC 分離成一個獨立模塊。雖然這種配置占用的空間更大，但其優點是制造工藝更簡單、成本更低。Furukawa 和 Ragile 等公司已經采用了 ELS 技術。
典型的案例研究包括：英特爾采用濕法蝕刻 V 形槽實現光纖與 PIC 之間的邊緣耦合；Marvell 利用 III-V 族化合物半導體工藝實現激光源與硅激光腔之間的垂直耦合；Broadcom 結合了邊緣耦合與垂直耦合的優勢。
光電產品設計自動化的統一工作流程
1.PIC Studio/PIC Studio Plus：
PIC Studio/PIC Studio Plus 是電子光子設計自動化 （EPDA） 解決方案，涵蓋從元件到系統的整個設計流程。
PIC Studio 提供集成電路/布局環境，支持參數驅動的光波導布線布局、自動布線、電路金屬布線/光電協同仿真等。PIC Studio Plus 增強了系統級仿真功能，支持 DSP 算法、光纖模型、TDECQ 分析等。
2.用于高速光互連和光 I/O 設計的集成激光源模型：
PIC Studio/PIC Studio Plus 還為激光源提供了緊湊型模型，支持 VCSEL 和 DFB 激光器等常見激光器類型，使其適用于高速光互連和光 I/O 設計流程。
未來展望： 緊湊型激光源模型的創新
1.逼真的激光源緊湊型模型庫
逼真的激光源緊湊型模型庫以實際產品的特性為基礎，為光電集成設計提供可靠的仿真支持。
2.豐富激光源緊湊型模型
不斷豐富和擴大緊湊型激光源模型的應用范圍，將促進新型激光源在光電集成領域的廣泛應用。激光源模型的創新將推動光電集成設計的快速發展。
展望未來，對高性能計算和數據通信的需求將持續增長。CPO 技術和 GPU 鏈接，以及激光源技術和設計自動化工作流程的進步，將在滿足這些需求方面發揮關鍵作用。通過利用這些技術，數據通信行業將迎來能力和效率的新時代。
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