COBO與Co-package的光電封裝

  在數(shù)據(jù)中心領域的交換機以及一些高性能計算設備上，其對外高速連接的端口密度非常高。出于結(jié)構(gòu)設計、散熱以及可維護性的要求，一般會把光模塊的插槽集中放在前面板上，這樣電交換或者計算芯片到前面板光模塊之間一般會有約20cm～40cm的電走線長度，這些走線的密度非常高，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率也很高。

  為了克服傳輸通道對于高速電信號的損耗，需要采用昂貴的低損耗的PCB板材(如M6/M7等板材)，并且在交換芯片和光模塊里都有復雜的針對電信號的預加重、均衡、時鐘恢復等電路，這些都增加了系統(tǒng)的成本、功耗和設計難度。

  隨著電接口速率的提高，為了減小交換芯片到光模塊之間的通道損耗以及系統(tǒng)的功耗、體積，目前采用的主要技術方向有3種：板內(nèi)同軸走線、板載光模塊(COBO)以及光電混合封裝(Co-pakage)。

  板內(nèi)同軸走線是指用低損耗的同軸走線代替PCB實現(xiàn)主機芯片到光模塊之間的板內(nèi)電連接。比如在12.5GHz的頻點，如果走線長度為30cm的話，普通FR4板材的插入損耗在20dB左右，好的板材如M6可以做到10dB左右，而雙同軸線(Twinax)可以做到3dB左右。板內(nèi)同軸走線的方法已經(jīng)在市面上一些400G的交換機設備上開始使用，這種方法對于最終用戶的使用和維護習慣沒有改變，因此比較容易普及，但其成本比傳統(tǒng)PCB高不少，可靠性也稍低一些。

  另一種方式是把光器件直接按裝在PCB板內(nèi)而不是前面板插槽上。其相關的標準化組織主要是COBO(Consortium for On-Board Optics)，該組織于2015年由Microsoft、Cisco、Broadcom、Arista等公司發(fā)起成立，并與2018年發(fā)布了板上封裝光器件的相關硬件規(guī)范。在PCB板內(nèi)直接安裝光器件有幾個優(yōu)點：由于光器件更靠近交換芯片，PCB板走線損耗小，因此可以支持更高速率的電信號連接;電芯片不需要特別復雜的預加重和均衡，有CDR電路重新對信號做下整形即可，因此系統(tǒng)整體功耗和成本可以降低;由于電信號在PCB板內(nèi)轉(zhuǎn)換為光信號，前面板不再需要放置傳統(tǒng)意義上的光模塊，可以通過帶狀光纖直接引到前面板，因此前面板的密度可以做得很高。但是，采用COBO的方式也有一定的缺點，除了產(chǎn)業(yè)鏈還不太成熟以外，日常維護的難度也要大一些。比如傳統(tǒng)上光模塊是可以在前面板直接插拔的，一旦失效可以快速更換，COBO的模塊雖然也可以插拔，但是需要把整個板卡取出后進行更換，對于正常業(yè)務的影響比較大。下圖是典型板上光模塊的應用場景。

  除了COBO技術以外，基于硅光技術的光電聯(lián)合封裝(Co-package)技術也是解決未來更大規(guī)模光電互聯(lián)的難題的熱點技術。未來隨著光模塊速率的進一步提升，單路電口的速率會提高到112Gbps甚至224Gbps，光電混合封裝(Co-package)即把光引擎(實現(xiàn)光收發(fā)功能的模塊)直接集成在數(shù)字芯片如交換機或計算芯片的基板上，這樣可以實現(xiàn)數(shù)字芯片到光引擎之間的電走線最短。圖11.38是由Facebook和Microsoft公司與2021年發(fā)布的一款3.2T容量光引擎的使用場景以及技術規(guī)范(參考資料：http://www.copackagedoptics.com/)，可以支持51.2T交換容量交換機芯片的光電混合封裝。

  這樣，51.2T容量的交換芯片可以和16個這樣的光引擎在芯片基板上封裝在一起，每個光引擎上提供8個400G的光接口。在其技術規(guī)范中，光引擎和交換機芯片間可以采用CEI-112G-XSR的接口，支持在封裝基板上最長5cm左右的走線;光引擎直接輸出光信號口，可以通過光纖陣列(Fiber Array)轉(zhuǎn)換成MPO接口的光纖對外連接;光引擎的激光源可以內(nèi)置也可以外置，如果外置的話需要通過保偏光纖(PMF)連接外部光源，如果內(nèi)置的話需要有備用的光源以提高系統(tǒng)的可靠性。目前，騰訊已經(jīng)有基于25.6T交換芯片的CPO交換機發(fā)布。

  光電聯(lián)合封裝技術在功耗控制和提高系統(tǒng)交換或計算容量方面有很大的吸引力，預計未來3到5年會逐漸在高密度數(shù)據(jù)交換或高性能計算場合開始應用。但是這個技術的普及還有很多挑戰(zhàn)，除了高密度封裝的難度、如何進行散熱、光引擎本身的可靠性、系統(tǒng)維護方法等技術挑戰(zhàn)以外，更重要的是對整個光通信產(chǎn)業(yè)鏈的重構(gòu)。

  下圖比較了傳統(tǒng)交換機和未來基于Co-package技術的交換機開發(fā)流程的區(qū)別?？梢钥闯?，傳統(tǒng)交換機采用可插拔光模塊形式，整個系統(tǒng)是在硬件開發(fā)的最后階段才和光模塊組合在一起，設備內(nèi)部也沒有光路連接;而采用了光電聯(lián)合封裝技術后，在數(shù)字交換芯片或計算芯片生產(chǎn)階段就要和光引擎進行集成，最終的系統(tǒng)硬件集成階段還可能涉及激光源以及板內(nèi)光纖的組裝。由于整個產(chǎn)業(yè)鏈都需要重新分工和定位，Co-package技術的采用可能會是一個循序漸進的過程。預計在未來的很長一段時間，可插拔的光模塊仍然會是實現(xiàn)高速光連接的主流技術方式。

  文章來源：微信公眾號“測量的知識”