芯片巨頭的新戰場：光電共封迎來大的推動力
這個賽道也成為了芯片巨頭的新戰場。
是必然的，也是緩慢的
在介紹光電共封裝之前，先介紹下光通信。
光通信即光纖通信，是目前全球主流的通信方式（傳統的是以銅線為介質的電通信）。廣泛應用于數據中心、電信網絡、光纖寬帶、汽車電子和工業制造等領域。
光通信是以石英光纖作為傳輸介質，以光波作為載體進行信息傳輸的通信方式。
通俗點講，就是在信號發射端，先將收到的電信號（數字信號/模擬信號）轉換為光信號，通過光纖傳輸到遠端。然后在信號接收端，再將收到的光信號轉化成可處理的電信號。
而聯特科技和中際旭創主營的光模塊，就是能夠實現光、電信號轉換的核心部件。
光模塊，是由光器件、電芯片、印制電路板、結構件等封裝而成的。這個環節，就涉及到了封裝技術。
截止至目前，光模塊主流封裝形式可大致劃分為三代。一代主要出現于1995-2000年，而后被二代取締。至于本文介紹的主角——光電共封裝（下文簡稱為CPO），就是三代的主流代表。
相較于傳統封裝形式，CPO在速率、能耗、成本方面更具優勢，更能滿足算力狂飆的需求。
但請注意，當前市場主流，仍然是二代封裝，且預計將存續至2028年。根據相關預計，CPO或將于2024-2025年開始商用，2026-2027年開始上量。
這就意味著，至少目前，CPO還遠未達到創收創利階段。
或許，CPO的發展是必然的，但必然也是緩慢的。
CPO的封裝方式及主要應用領域
在CPO技術的應用中，有兩種主要的封裝方式，分別是Co-packaged transceivers (CPT)和Co-packaged active optical cables (CP-AOCs)。CPT技術將收發器和芯片封裝在同一個封裝體中，可以減小芯片封裝面積和信號傳輸長度，提高光通信的速度和質量。CP-AOCs技術則是將光模塊和芯片封裝在同一塊PCB板上，并使用微型化的線纜連接光模塊和芯片。CP-AOCs技術可以實現更高的數據密度和更快的數據傳輸速度，目前在數據中心、云計算和5G通信等領域得到了廣泛應用。
在數據中心領域，CPO技術可以實現更高的數據密度和更快的數據傳輸速度，可以應用于高速網絡交換、服務器互聯和分布式存儲等領域。例如，Facebook在其自研的數據中心網絡Fabric Aggregator中采用了CPO技術，將光模塊和芯片封裝在同一個封裝體中，從而提高了網絡的速度和質量。另外，CPO技術還可以減少系統的功耗和空間占用，降低數據中心的能源消耗和維護成本。在人工智能方面，算力成為以ChatGPT為代表的AI的核心競爭力，而CPO技術有望成為高能效比的解決方案之一。
在云計算領域，CPO技術可以實現高速云計算和大規模數據處理。例如，微軟在其云計算平臺Azure中采用了CPO技術，將光模塊和芯片封裝在同一塊PCB板上，并使用微型化的線纜連接光模塊和芯片。通過CPO技術的應用，Azure可以實現更高的數據密度和更快的數據傳輸速度，從而提高了云計算的效率和性能。
在5G通信領域，CPO技術可以實現更快的無線數據傳輸和更穩定的網絡連接。例如，華為在其5G通信系統中采用了CPO技術，將收發器和芯片封裝在同一個封裝體中，從而實現了高速、高密度、低功耗的通信。CPO技術的應用可以提高5G通信的速度和質量，支持更多的無線設備連接和更復雜的通信應用。
以上應用將在未來數年持續爆發。除此之外，隨著互聯網和 5G/6G 用戶的增加以及來自人工智能、機器學習 (ML)、物聯網 (IoT) 和虛擬現實流量的延遲敏感型流量激增，對光收發器的數據速率要求將快速增長；AI、ML、VR 和 AR 對數據中心的帶寬要求巨大，并且對低延遲有極高的要求。支持400G的AOC已經開始成為大型數據中心的主流，而800G的AOC似乎在幾年內就會出現。基于以上因素，未來CPO的市場規模將持續高速擴大。
光電共封技術商業化還有諸多挑戰
但是，光電共封技術要獲得大規模的商業化還需要解決多個挑戰，它必須可靠、可維修、可部署、可顯著節能并且具有成本效益。雖然光互連有望讓芯片間的帶寬達到更高水平，特別是在數據中心內部，但制造上的困難使其成本高昂到難以承受。
挑戰一，CPO技術嚴重依賴于硅光子學技術，需要將光學元件小型化以適應 ASIC 封裝（體積比傳統 QSFP-DD 或 OSFP 模塊小 100 多倍）。我們看到，專有的CPO方案首先出現在Broadcom、Intel、Marvell和其他一些公司，這些供應商大多已經收購或與創新的硅光子公司合作。他們在這一技術上的積累和努力，使得CPO的商業化漸漸成為可能。
另一方面，隨著光學和硅芯片的高度集成，新的工程能力和晶圓代工廠將是非常需要的。
在這方面，格芯是一個比較具有前瞻的代工廠。自從退出芯片先進制程的追逐后，格芯一直在探索其他技術，硅光子正是格芯押注大籌碼的一項技術。2015 年格芯收購了IBM Microelectronics 的一部分，因此也從IBM Research 獲得了光子學專業知識和知識產權。2016年，格芯就推出了其第一代硅光子平臺，并在同年創建了一個獨立的硅光子業務。當時帶寬的行業標準是僅為40 GB/s。格芯打賭未來行業將不得不利用光的力量在全球各地涌現的數據中心內部和之間移動大量數據。事實證明，確實如此，如今數據中心的帶寬已來到400 GB/s和800 GB/s的數據速率。
GF Fotonix 是格芯為硅光子芯片打造的一個整體的平臺，這也是業界唯一的硅光子大批量 300mm CMOS制造代工廠。根據格芯的介紹，該平臺將光子元件與高性能CMOS邏輯和RF集成在一起，以實現完全集成的單片電氣和光學計算和通信引擎，同時針對低信號損耗降級進行了優化。此外，格芯單片硅光子平臺的光輸入和光輸出可通過高密度光纖陣列、片上集成激光器和銅金屬化實現與其他半導體芯片的 2.5D 和 3D 異構集成。
芯片巨頭如Broadcom、思科、Marvell和NVIDIA以及Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus 和 Xanadu 在內的光子計算領域的廠商都與格芯有著密切的交流合作。此外，EDA軟件廠商Ansys、Cadence和Synopsys等也正在提供支持基于集成硅光子學的芯片和小芯片的設計工具。
寫在最后
總而言之，光電共封的解決方案確實使得新一代的交換機與前幾代相比發生了很大的突破，但是如文中所述，CPO要成為主流還有諸多因素要克服，據Yole分析師的說法，盡管CPO具有技術優勢，但它將很難與可插拔模塊競爭，在很長一段時間內，可插拔模塊仍將是首選。可插拔、OBO和CPO將共存一段時間。
現在，光學器件可以與以太網交換機芯片共同封裝，未來，它能否與CPU、GPU或XPU集成在一起也或許是一個探究方向。在摩爾定律動力不足的情況下，光電共封這項技術正在嶄露其潛力，從另一條新道路上來滿足當下數據量蓬勃發展的處理需求。而且很重要的一個趨勢是，主要的芯片巨頭們都在排兵布陣，光電共封技術正在向我們走進。
