COBO與Co-package的光電封裝

  在數據中心領(lǐng)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。出于結構設計、散熱以及可維護性的要求，一般會(huì )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(huì )有約20cm～40cm的電走線(xiàn)長(cháng)度，這些走線(xiàn)的密度非常高，傳輸的數據速率也很高。

  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(shí)鐘恢復等電路，這些都增加了系統的成本、功耗和設計難度。

  隨著(zhù)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的功耗、體積，目前采用的主要技術(shù)方向有3種：板內同軸走線(xiàn)、板載光模塊(COBO)以及光電混合封裝(Co-pakage)。

  板內同軸走線(xiàn)是指用低損耗的同軸走線(xiàn)代替PCB實(shí)現主機芯片到光模塊之間的板內電連接。比如在12.5GHz的頻點(diǎn)，如果走線(xiàn)長(cháng)度為30cm的話(huà)，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(xiàn)(Twinax)可以做到3dB左右。板內同軸走線(xiàn)的方法已經(jīng)在市面上一些400G的交換機設備上開(kāi)始使用，這種方法對于最終用戶(hù)的使用和維護習慣沒(méi)有改變，因此比較容易普及，但其成本比傳統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板內而不是前面板插槽上。其相關(guān)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(guān)硬件規范。在PCB板內直接安裝光器件有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：由于光器件更靠近交換芯片，PCB板走線(xiàn)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，因此系統整體功耗和成本可以降低;由于電信號在PCB板內轉換為光信號，前面板不再需要放置傳統意義上的光模塊，可以通過(guò)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(diǎn)，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(gè)板卡取出后進(jìn)行更換，對于正常業(yè)務(wù)的影響比較大。下圖是典型板上光模塊的應用場(chǎng)景。

  除了COBO技術(shù)以外，基于硅光技術(shù)的光電聯(lián)合封裝(Co-package)技術(shù)也是解決未來(lái)更大規模光電互聯(lián)的難題的熱點(diǎn)技術(shù)。未來(lái)隨著(zhù)光模塊速率的進(jìn)一步提升，單路電口的速率會(huì )提高到112Gbps甚至224Gbps，光電混合封裝(Co-package)即把光引擎(實(shí)現光收發(fā)功能的模塊)直接集成在數字芯片如交換機或計算芯片的基板上，這樣可以實(shí)現數字芯片到光引擎之間的電走線(xiàn)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(chǎng)景以及技術(shù)規范(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(gè)這樣的光引擎在芯片基板上封裝在一起，每個(gè)光引擎上提供8個(gè)400G的光接口。在其技術(shù)規范中，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(cháng)5cm左右的走線(xiàn);光引擎直接輸出光信號口，可以通過(guò)光纖陣列(Fiber Array)轉換成MPO接口的光纖對外連接;光引擎的激光源可以?xún)戎靡部梢酝庵?，如果外置的?huà)需要通過(guò)保偏光纖(PMF)連接外部光源，如果內置的話(huà)需要有備用的光源以提高系統的可靠性。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(shù)在功耗控制和提高系統交換或計算容量方面有很大的吸引力，預計未來(lái)3到5年會(huì )逐漸在高密度數據交換或高性能計算場(chǎng)合開(kāi)始應用。但是這個(gè)技術(shù)的普及還有很多挑戰，除了高密度封裝的難度、如何進(jìn)行散熱、光引擎本身的可靠性、系統維護方法等技術(shù)挑戰以外，更重要的是對整個(gè)光通信產(chǎn)業(yè)鏈的重構。

  下圖比較了傳統交換機和未來(lái)基于Co-package技術(shù)的交換機開(kāi)發(fā)流程的區別?？梢钥闯?，傳統交換機采用可插拔光模塊形式，整個(gè)系統是在硬件開(kāi)發(fā)的最后階段才和光模塊組合在一起，設備內部也沒(méi)有光路連接;而采用了光電聯(lián)合封裝技術(shù)后，在數字交換芯片或計算芯片生產(chǎn)階段就要和光引擎進(jìn)行集成，最終的系統硬件集成階段還可能涉及激光源以及板內光纖的組裝。由于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都需要重新分工和定位，Co-package技術(shù)的采用可能會(huì )是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。預計在未來(lái)的很長(cháng)一段時(shí)間，可插拔的光模塊仍然會(huì )是實(shí)現高速光連接的主流技術(shù)方式。

  文章來(lái)源：微信公眾號“測量的知識”