共封裝光學(xué)技術(shù)：釋放數(shù)據(jù)中心性能

  ICC訊   對(duì)更高效能功耗比的追求，暴露了傳統(tǒng)光學(xué)收發(fā)器設(shè)計(jì)的局限性，迫使我們從離散組件轉(zhuǎn)向單一集成系統(tǒng)。共封裝光學(xué)技術(shù)(CPO)是業(yè)界的解決方案，該架構(gòu)將芯片重新定義為處理兼光學(xué)I/O引擎。

  超大型數(shù)據(jù)中心正面臨性能瓶頸，傳統(tǒng)的芯片到端口連接方式對(duì)吞吐量和可擴(kuò)展性造成了結(jié)構(gòu)性限制。預(yù)計(jì)全球?qū)?shù)據(jù)中心容量的需求到2030年將會(huì)是現(xiàn)在的三倍以上，使得這一挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻。

  業(yè)界的解決方案是共封裝光學(xué)技術(shù)(CPO)，這是一種全新架構(gòu)，將光學(xué)輸入/輸出(I/O)直接與芯片集成，從而解決距離問(wèn)題。但這種直接方式又帶來(lái)了圍繞熱管理和可維護(hù)性的一系列新的工程障礙。新架構(gòu)是否可行，現(xiàn)在取決于能否掌控應(yīng)對(duì)這些核心問(wèn)題的系統(tǒng)級(jí)方法。

  01. 為何可插拔光學(xué)技術(shù)正逼近其極限

  在AI龐大的算力需求下，成熟的前面板可插拔光學(xué)架構(gòu)已經(jīng)逼近其物理極限。傳統(tǒng)光學(xué)收發(fā)器設(shè)計(jì)的固有挑戰(zhàn)是，信號(hào)從主板上的專用集成電路(ASIC)通過(guò)有損銅導(dǎo)線傳輸?shù)角懊姘迥K，這期間必須跨越很長(zhǎng)的電氣距離。在像448Gbps這樣的下一代速度下，推動(dòng)信號(hào)通過(guò)這一路徑需要巨大的電能來(lái)補(bǔ)償信號(hào)隨距離的衰減，這些能量最終以廢熱的形式散失。

  龐大的算力消耗導(dǎo)致“I/O功耗瓶頸”，這是一個(gè)重大的行業(yè)問(wèn)題，移動(dòng)數(shù)據(jù)所需的電力開始比肩處理數(shù)據(jù)所需的電力。這不僅推高運(yùn)營(yíng)成本，也使熱管理變得更為復(fù)雜。同時(shí)，可插拔模塊的物理尺寸對(duì)前面板I/O密度也造成了嚴(yán)格限制。隨著數(shù)據(jù)傳輸率的增加，前面板上可用于添加更多端口的物理空間正在耗盡，使得面板上也出現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)立但同樣致命的帶寬瓶頸。

  02. 共封裝光學(xué)技術(shù)和功耗收益

  CPO將光學(xué)引擎與主處理器集成在同一基板上，重新定義了光學(xué)收發(fā)器的架構(gòu)。這種緊密集成大幅縮短了電氣路徑，減少了推動(dòng)信號(hào)所需的電力。路徑縮短之后，就不再需要大功率重定時(shí)器和其他信號(hào)調(diào)節(jié)組件，來(lái)滿足長(zhǎng)距離銅導(dǎo)線傳輸所需，這可以顯著降低光學(xué)I/O造成的功耗。因此，CPO解決了I/O功耗瓶頸和前面板密度限制問(wèn)題，顯著提高了用電效率和帶寬。

  然而，該集成本身帶來(lái)了兩個(gè)重大工程障礙：

  ● 熱管理：因?yàn)榧す馄髦苯臃胖迷诟邇r(jià)值處理器旁邊，這是光學(xué)系統(tǒng)的主要熱源。

  ● 可維護(hù)性風(fēng)險(xiǎn)：因?yàn)榻M件故障可能需要更換整個(gè)處理器封裝。

  03. 共封裝光學(xué)技術(shù)中的調(diào)制器取舍

  CPO的可行性取決于硅光子學(xué)，這是一種使用成熟的半導(dǎo)體制造能力將光學(xué)功能集成到芯片上的技術(shù)。該架構(gòu)的核心組件是調(diào)制器，它將電氣數(shù)據(jù)編碼到光中，代表了一項(xiàng)重要的工程取舍。

  兩種主要調(diào)制器技術(shù)之間的取舍顯而易見：Mach-Zehnder調(diào)制器(MZM)和微環(huán)調(diào)制器(MRM)。

  ● Mach-Zehnder調(diào)制器非常穩(wěn)定可靠，但其體積龐大，與CPO的密度目標(biāo)相沖突。

  ● 微環(huán)調(diào)制器體積小巧，能效高，但對(duì)熱波動(dòng)非常敏感。而放置在靠近發(fā)熱處理器時(shí)，這種波動(dòng)又不可避免。

  面對(duì)這樣的現(xiàn)實(shí)情況，業(yè)內(nèi)主要企業(yè)做出了不同的決策。例如，Broadcom似乎更傾向于使用MZM，而Nvidia則為其CPO應(yīng)用選擇了MRM。

  這兩種方法之間的沖突凸顯了一個(gè)關(guān)鍵信息：熱管理是任何可行的CPO設(shè)計(jì)中都必須克服的核心工程障礙。

  04.外部激光源：CPO的系統(tǒng)級(jí)解決方案

  要解決CPO核心熱管理和可維護(hù)性挑戰(zhàn)，最有效的架構(gòu)解決方案是使用外部激光源(ELS)，將激光器與CPO分離。Molex已完整實(shí)現(xiàn)這一概念并率先推向市場(chǎng)，將CPO 從紙上談兵變?yōu)閷?shí)際可部署的現(xiàn)實(shí)。

  ● 解決熱挑戰(zhàn)：外部激光源互連系統(tǒng)(ELSIS)是一個(gè)完整的解決方案，實(shí)現(xiàn)高功率激光器與處理器和光學(xué)引擎的物理分離。通過(guò)將激光器置于獨(dú)立的可插拔模塊中，直接解決了熱挑戰(zhàn)。該設(shè)計(jì)將發(fā)熱最大的負(fù)載與高價(jià)值處理器分離，從而簡(jiǎn)化了熱管理。

  ● 降低可維護(hù)性風(fēng)險(xiǎn)：除了解決熱問(wèn)題，模塊化設(shè)計(jì)還支持激光模塊的現(xiàn)場(chǎng)便捷維護(hù)，從而降低了可維護(hù)性風(fēng)險(xiǎn)。ELSIS使用盲插接口，所有光學(xué)和電氣連接都在設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行，避免了激光器故障需要更換整個(gè)處理器封裝等代價(jià)高昂的情況。

  ● 降低可維護(hù)性風(fēng)險(xiǎn)：這種整體方法帶來(lái)的最終產(chǎn)品：ELSIS是一款完整的預(yù)制系統(tǒng)，包括：電氣和光學(xué)連接器、壓配外殼、可插拔模塊自身，所有組件均設(shè)計(jì)為一個(gè)有機(jī)的整體，支持可擴(kuò)展的可靠部署。

  05. 系統(tǒng)級(jí)挑戰(zhàn)的系統(tǒng)級(jí)方法

  向CPO的轉(zhuǎn)型代表了設(shè)計(jì)理念的重大演變，旨在應(yīng)對(duì)系統(tǒng)性的熱管理和可維護(hù)性挑戰(zhàn)。要充分發(fā)揮CPO的性能和效率，需要將激光器、光學(xué)器件和互連視為單一的集成系統(tǒng)。

  成功實(shí)施該架構(gòu)需要在光學(xué)、電氣和機(jī)械領(lǐng)域擁有深厚專業(yè)知識(shí)的工程合作方，因?yàn)槿魏我粋€(gè)領(lǐng)域的失敗都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。

  Molex ELSIS體現(xiàn)了這種系統(tǒng)級(jí)方法，降低了風(fēng)險(xiǎn)，并提供了下一代數(shù)據(jù)中心不可或缺的可擴(kuò)展架構(gòu)。