光电共封装技术推动下一代人工智能和网络架构发展

逍遥设计自动化

引言
在人工智能和高性能计算快速发展的今天，对更快、更高效数据传输的需求不断增长。本文探讨光电共封装（CPO）技术的发展历程、当前状态，以及其在规模化网络和计算架构中的应用潜力。介绍这一技术面临的技术挑战、创新解决方案及其在实际应用中的表现[1]。
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光电共封装技术的必要性
随着数据传输速率不断提高，传统电子互连面临着重大挑战。串行器/解串器（SerDes）向200Gbps迁移的过程中，电气I/O传输距离的局限性日益凸显。

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图1展示了高数据速率下信号损耗的增加，说明了光电共封装与ASIC集成的必要性。
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在这些高速率下，信号完整性成为主要问题，主要由于信号路径各个组件的损耗，包括：
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ASIC通过基板的损耗

PCB走线长度损耗

过孔损耗

Paddle card损耗
( F* A0 x$ q% ~* O, o% i6 E1 ~' f
0 `% p3 y( v6 u- B/ q6 y, y随着数据速率从53 Gbps增加到106 Gbps，甚至达到212 Gbps，这些损耗变得更加明显。图表清楚地显示了更高频率如何导致更大的信号衰减，使得通过电气互连维持可靠通信变得越来越困难。
0 E. ?, C! {$ K, j
这一挑战促使了光互连技术的发展，可以与ASIC共同封装，以克服这些限制并实现下一代高性能计算和网络系统。
) K! A" Q1 M1 w( _; z
  q5 S, P$ x3 Q  J2 g光互连技术的演进
开发具有CPO功能的AI ASIC的历程是渐进的演变过程，从分立元件逐步发展到高度集成的解决方案。
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! Z7 n/ C  t" s. r! X8 X图2展示了从传统模块设计到硅基光电子Chiplet模块的发展过程。
$ V1 b) D- Q3 d5 b

传统模块设计：最初的方法使用分立的III-V族元件，在可扩展性方面存在工程和制造限制。

模块集成：提高规模的第一步涉及将组件集成到模块中，减小尺寸并提高制造性。

硅基光电子模块：在模块中引入硅基光电子Chiplet标志着重大进步，实现了更高的集成度和更好的可扩展性。

光电共封装：最后阶段涉及将光学组件直接附加到ASIC上，实现前所未有的集成度和性能水平。
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这一演变导致了CPO的两个主要应用：
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! Q% x/ m* R" M1 W6 j. Y, `6 l图3对比了用于规模化网络的CPO（>50Tbps连接到交换ASIC）和用于规模化计算的CPO（>6.4Tbps连接到GPU）。
$ W( O/ U7 k  L9 i. o

用于规模化网络的CPO：将超过50Tbps的光学直接连接到交换ASIC。

用于规模化计算的CPO：将超过6.4Tbps的光学与GPU集成，用于高性能计算应用。
[/ol]
. ?# F* v9 H* }. @Broadcom的CPO平台
4 A- F& x8 ^* e; ~. iBroadcom在CPO开发方面处于领先地位，创建了一个全面的平台，解决了高速、高密度光互连的挑战。
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+ k! o7 H4 [  O0 Z图4提供了Broadcom 51.2Tbps TH5交换CPO的示意图概览，展示了其关键组件。
8 s4 g) Y  c3 n
( @. U, d- Q; i4 @( O# r& ^CPO平台的关键组件包括：

51.2Tbps TH5交换CPO，配备8个6.4T光学引擎

16个可插拔激光模块（可现场维修）

光纤Cable Assembly

前面板端口

I/O连接

CPO（光电共封装）

Broadcom FAU连接器

PLS盲插连接器（MPO）
" Y: ?1 F  p9 N9 E
6 M( c  l* K9 E& H
! L: Y& r, o* x, T

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图5突出显示了CPO的关键组件：光电子集成芯片（PIC）、电子集成线路（EIC）、先进封装和高密度光纤连接器。
' V  U1 p* O+ r4 @& n# A+ ^
6 A, ~, X6 g1 QCPO系统的核心包括：

光电子集成芯片（PIC）：包含用于光信号处理的调制器和光电二极管。

电子集成线路（EIC）：包括用于电信号处理的驱动器和跨阻放大器（TIA）。

先进封装：实现光学和电子组件的紧密集成。

高密度光纤连接器：便于连接外部光网络。
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9 h) a" h( q/ n4 X% M+ w( r3 K
/ |1 m% F# |5 K3 R8 u. h2 j6 H使用CPO的规模化网络
Broadcom在实施CPO用于规模化网络应用方面取得了重大进展。让我们来看看两代交换系统：

第一代：TH4-Humboldt

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! B' v9 r( O$ A' r1 |9 w! I  }) z图6展示了TH4-Humboldt，Broadcom的第一代25.6T以太网交换机，部分实现了CPO。

2 q7 z* h- A. oTH4-Humboldt的主要特点包括：
" Z. h6 _- I* V  f  s; d0 A9 C

25.6T以太网交换机

一半CPO，一半电气连接

四个3.2T光学引擎（32x100Gbps DR连接）

光学引擎：PIC与SiGe EIC键合

每个光学引擎包含约250个光学组件

5 x. u' M, ^5 t: H$ k. C

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1 y# Y6 n# B$ b: B图7说明了TH4-Humboldt设计中硅基光电子PIC、SiGe EIC和TSV（硅通孔）的集成。
( o( ]% a. e" ^
第二代：TH5-Bailly
) ?2 Y/ X- d0 l7 Q$ ^1 U

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图8展示了TH5-Bailly，Broadcom的第二代51.2T以太网交换机，实现了全CPO连接。

4 ~# d" B$ l! X$ e2 ?TH5-Bailly代表了重大进步，具有以下特点：
9 H  a* b6 X- l( r

51.2T以太网交换机

全光学CPO连接

八个6.4T光学引擎（64x100Gbps FR4连接）

光学引擎：PIC与CMOS EIC键合

每个光学引擎包含约1000个光学组件
( L4 Z9 P$ n, C2 o) ]
, C, O' l/ ^8 v' l1 v

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" ^- }' w2 [. I3 H. }' R图9显示了使用扇出晶圆级封装（FOWLP）技术改进的硅基光电子PIC与7nm CMOS EIC的集成。
5 v2 M* i8 Q5 o4 Q
4 U4 Y( M6 t" E8 p0 ITH5-Bailly中使用的FOWLP技术实现了PIC到EIC键合的更好可扩展性，允许更高的密度和性能。

性能和功耗效率
7 b1 N4 p& x+ F5 f- JTH5-Bailly展示了令人印象深刻的性能和功耗效率：
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6 F1 b6 w  l- o* S8 B图10显示了完全集成的51.2T交换机72个端口的FEC（前向错误纠正）尾部分布，显示了无错误操作。

4 Y5 s7 C- ?, i! F图表显示FEC尾部快速衰减，表明所有端口都具有出色的信号完整性和错误纠正能力。

# k( _: K  |9 I5 h( ?4 I) k

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7 h+ {  K9 P' A0 r图11比较了51T交换机盒中CPO和传统可插拔光学的功耗。

主要发现：

使用Bailly CPO的光互连比传统可插拔光学消耗少70%的功率

使用Bailly CPO的总交换机盒功耗降低约30%

对于32k GPU集群，CPO可实现超过1MW的功耗节省

使用CPO的规模化计算
) N! `$ H3 W& O) M3 \- R" X0 SCPO技术不仅限于网络应用；对于规模化计算架构，特别是在人工智能和高性能计算领域，也具有巨大潜力。
- |0 x+ K) Q+ _

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* O! m" e7 i  ~/ ~! z* p3 {图12说明了具有CPO的计算ASIC，在2.5D多芯片封装中每个光学引擎具有6.4Tbps I/O带宽。
* U/ D2 T2 `; z6 q- N: M
$ p$ r1 y3 v& g1 {# R$ h1 K# E这种先进的封装方法集成了：

计算ASIC

HBM（高带宽内存）

SerDes芯片

6.4T光学引擎Chiplet
  ^$ c' R. M* W1 k# i. i
在计算ASIC中使用CPO实现了：
5 R+ G! X$ z1 ]" ^- @

更高的带宽密度

降低功耗

改善信号完整性

大型AI集群的可扩展性

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2 Z6 N6 c5 d( |$ F

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' P; M' o2 N( y8 s图13显示了使用CPO的512个GPU全连接单级规模化架构。

# U' `$ G5 S4 ]7 n" U这种架构展示了CPO实现大规模扩展领域的潜力：
3 k: |% w4 Q6 p# t9 [9 p

单行连接中的512个GPU

光链路范围从5m到30m（单层）

64个高基数交换机

每个GPU通过CPO光学连接到所有64个交换机
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未来发展和路线图
* G; T' U, P9 M随着CPO技术不断发展，我们可以期待密度和性能的进一步提高：
7 V; F: }  \9 C+ r1 s3 |) A6 d2 N
" z" M  S& n' [3 p2 C

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图14展示了规模化光学Rooftop密度路线图，显示从2025年到2028年从12.8T到102.4T的发展。
* Z' b( I- _: i9 P' I+ v- d( O) `
& c/ E/ K) ?9 B6 ]* \2 \) h路线图显示光互连密度快速增加：
/ C, {$ Y3 E& }

2025年：12.8T

2027年：51.2T

2028年：102.4T（发送+接收）

1 \: S! U: ~; A6 o这一进展将在未来几年内实现更强大、更高效的AI和HPC系统。
8 E! _/ h) v  s) s
: s4 j# ~. w) \3 X  k, G结论
光电共封装代表了光学和电子组件集成的重大进展，用于高性能计算和网络应用。通过克服传统电气互连的限制，CPO使更强大、更高效和可扩展的AI和数据中心应用系统的开发成为可能。
2 M6 P) t7 c$ Q( T5 p
# V! J7 Q7 Q6 Z* [正如我们在Broadcom从TH4-Humboldt到TH5-Bailly及以后的发展历程中所看到的，CPO技术正在快速发展，以满足现代计算不断增长的需求。先进封装技术（如FOWLP）的集成，以及光学引擎密度和性能的持续提高，为下一代AI和网络架构奠定了基础。

CPO的优势，包括降低功耗、改善信号完整性和提高带宽密度，使其成为应对网络和计算系统扩展挑战的关键技术。随着技术的不断成熟，我们可以期待看到更多创新应用和架构，利用集成光电子技术的力量推动高性能计算和AI世界的发展。

$ b/ H  U2 e0 P, j参考文献
2 g, y& |/ V' s# l6 n$ A% G! K[1] M. Mehta, "An AI Compute ASIC with Optical Attach to Enable Next Generation Scale-Up Architectures," Hot Chips 2024, Aug. 26, 2024.

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