Yole：2033年CPO市場(chǎng)產(chǎn)生的收入將達(dá)26億美元

  ICC訊（編譯：Nina）Yole報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，2022年，CPO市場(chǎng)產(chǎn)生的收入達(dá)到約3800萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)2033年將達(dá)到26億美元，2022-2033年復(fù)合年增長(zhǎng)率為46%。對(duì)快速增長(zhǎng)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)(Training dataset)大小的預(yù)測(cè)表明，數(shù)據(jù)將成為擴(kuò)展ML模型的主要瓶頸，因此我們可能會(huì)看到人工智能(AI)的進(jìn)展放緩。在ML硬件中使用光學(xué)輸入/輸出(I/O)可以幫助克服這種瓶頸。該瓶頸是下一代高性能計(jì)算(HPC)系統(tǒng)采用光學(xué)互連的主要驅(qū)動(dòng)因素。

  共封裝光學(xué)器件在高性能計(jì)算中備受關(guān)注

  在過去的50年里，移動(dòng)通信每十年出現(xiàn)新一代技術(shù)。移動(dòng)帶寬需求已經(jīng)從語(yǔ)音通話和短信發(fā)展到超高清(UHD)視頻和各種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)(AR/VR)應(yīng)用。盡管新冠肺炎疫情對(duì)電信基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)鏈產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，但全球消費(fèi)者和商業(yè)用戶繼續(xù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)產(chǎn)生新的需求。社交網(wǎng)絡(luò)、商務(wù)會(huì)議、超高清視頻流、電子商務(wù)和游戲應(yīng)用將繼續(xù)推動(dòng)增長(zhǎng)。

  每個(gè)家庭和每個(gè)人連接到互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)量正在增加。隨著功能和智能不斷增強(qiáng)的新型數(shù)字設(shè)備的出現(xiàn)，用戶每年的采用率都在上升。此外，不斷擴(kuò)展的機(jī)器對(duì)機(jī)器應(yīng)用，如智能電表、視頻監(jiān)控、醫(yī)療保健監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)器和自動(dòng)化物流，極大地促進(jìn)了設(shè)備和連接的增長(zhǎng)，并推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)張。

  由于服務(wù)提供商預(yù)算削減，以及可插拔器件已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)CPO所承諾的成本節(jié)約和低功耗，共封裝光學(xué)器件(CPO)市場(chǎng)面臨困難時(shí)期。CPO的全面部署只有在可插拔器件失去勢(shì)頭時(shí)才會(huì)發(fā)生。至少在接下來(lái)的兩代交換機(jī)系統(tǒng)中，CPO很難與可插拔模塊競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)樵诤荛L(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，可插拔模塊仍將是首選。CPO由于其在數(shù)據(jù)中心(DC)中的網(wǎng)絡(luò)功率效率，最近受到了很多關(guān)注。LC的分析表明，與數(shù)據(jù)中心的總功耗相比，網(wǎng)絡(luò)節(jié)省的功耗可以忽略不計(jì)。只有少數(shù)幾家CPO廠商，如博通、英特爾、Marvell和其他一些公司，將為市場(chǎng)帶來(lái)專有解決方案。為了滿足市場(chǎng)需求并讓最終用戶相信CPO的可行性，多供應(yīng)商的商業(yè)模式以及可觀的成本和功耗節(jié)省的驗(yàn)證是必須的。

  隨著6.4T光模塊最晚在2029年的到來(lái)，CPO和可插拔光學(xué)器件之間可能會(huì)發(fā)生激烈的競(jìng)爭(zhēng)。CPO系統(tǒng)中的多個(gè)技術(shù)障礙預(yù)計(jì)將在此時(shí)得到解決。然而，收發(fā)器行業(yè)正在不斷創(chuàng)新，以推動(dòng)可插拔光學(xué)器件市場(chǎng)。在CPO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的批量出貨之前，可插拔將采用共封裝方法，并且光學(xué)引擎將在高性能計(jì)算和分解式未來(lái)系統(tǒng)中越來(lái)越受歡迎。行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，包括Ayar Labs、Intel、Ranovus、Lightmatter、AMD、GlobalFoundries和其他圍繞機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)系統(tǒng)供應(yīng)商N(yùn)vidia和HPE的公司，已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，并計(jì)劃在2024年至2026年間批量交付產(chǎn)品。

  Yole報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，2022年，CPO市場(chǎng)產(chǎn)生的收入達(dá)到約3800萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)2033年將達(dá)到26億美元，2022-2033年復(fù)合年增長(zhǎng)率為46%。對(duì)快速增長(zhǎng)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)(Training dataset)大小的預(yù)測(cè)表明，數(shù)據(jù)將成為擴(kuò)展ML模型的主要瓶頸，因此我們可能會(huì)看到人工智能(AI)的進(jìn)展放緩。在ML硬件中使用光學(xué)輸入/輸出(I/O)可以幫助克服這種瓶頸。該瓶頸是下一代高性能計(jì)算(HPC)系統(tǒng)采用光學(xué)互連的主要驅(qū)動(dòng)因素。

  光子集成電路使低功耗&低成本光互連的CPO成為可能

  Yole預(yù)計(jì)800G和1.6T可插拔模塊會(huì)非常受歡迎，因?yàn)樗鼈兝昧?00G和200G單波長(zhǎng)光學(xué)器件的優(yōu)勢(shì)，因此可以在QSFP-DD和OSFP-XD封裝中實(shí)現(xiàn)技術(shù)和成本效益。在所需的電氣和光學(xué)密度、熱管理和能源效率方面，可插拔封裝在支持6.4T和12.8容量方面的能力將受到限制。由于采用離散電氣器件，功耗和熱管理正在成為未來(lái)可插拔光學(xué)的限制因素。使用硅光子學(xué)技術(shù)平臺(tái)的共封裝旨在克服上述挑戰(zhàn)。

  光纖離芯片組越來(lái)越近了。使用光將數(shù)據(jù)引入到集中處理的點(diǎn)是架構(gòu)設(shè)計(jì)師的主要目標(biāo)之一。這一趨勢(shì)始于十年前安裝在印刷電路板(PCB)上的光學(xué)組件的專有設(shè)計(jì)。板載光學(xué)聯(lián)盟(COBO)延續(xù)了這些嵌入式光互連(EOI)想法，并制定規(guī)范，允許在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的制造中使用板載光學(xué)模塊。CPO是一種創(chuàng)新方法，將光學(xué)器件和ASIC緊密結(jié)合在一起。在當(dāng)今的技術(shù)下，用16個(gè)3.2Tbps光模塊環(huán)繞50T交換芯片具有挑戰(zhàn)性，因此近封裝光學(xué)(NPO)通過使用位于主機(jī)板上的高性能PCB基板(一種interposer)來(lái)解決這一問題，而CPO則是在多芯片模塊基板上使用模塊環(huán)繞芯片。NPO interposer的空間更大，使芯片和光模塊之間的信號(hào)路由更容易，同時(shí)仍能滿足信號(hào)完整性要求。相比之下，CPO的模塊和主機(jī)ASIC挨得更近，可以實(shí)現(xiàn)更低的信道損耗和更低的功耗。

  隨著技術(shù)的進(jìn)步，通信和計(jì)算技術(shù)能夠在商業(yè)系統(tǒng)中更緊密地集成，網(wǎng)絡(luò)硬件正在更多地采用通用組件。此外，人工智能模型的規(guī)模正在以前所未有的速度增長(zhǎng)，傳統(tǒng)架構(gòu)(基于銅的電氣互連)的芯片到芯片或板到板的能力將成為擴(kuò)展機(jī)器學(xué)習(xí)的主要瓶頸。因此，針對(duì)高性能計(jì)算(HPC)及其新的分解架構(gòu)，出現(xiàn)了新的極短距離光學(xué)互連。分解設(shè)計(jì)區(qū)分了服務(wù)器卡上的計(jì)算、內(nèi)存和存儲(chǔ)組件，并分別對(duì)它們進(jìn)行池化。通過先進(jìn)的封裝內(nèi)光學(xué)I/O技術(shù)，將基于光學(xué)的互連用于各種處理單元(xPU)，特別是中央處理單元(CPU)、數(shù)據(jù)處理單元(DPU)、圖形處理單元(GPU)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和ASIC、存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器，可以幫助實(shí)現(xiàn)必要的傳輸速度和帶寬。

  數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商將傾向于經(jīng)過驗(yàn)證的低成本和靈活的解決方案

  如今，可插拔光模塊市場(chǎng)供應(yīng)鏈已經(jīng)建立完善。它包括分立或集成組件供應(yīng)商、生產(chǎn)發(fā)射器和接收器光學(xué)組件(TOSA和ROSA)、多路復(fù)用器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和PCB的光學(xué)公司，以及組裝/測(cè)試集成商。這樣一個(gè)多供應(yīng)商市場(chǎng)模型涉及到許多不同的供應(yīng)商。此外，多個(gè)不同可插拔模塊可在一個(gè)交換機(jī)盒子中實(shí)現(xiàn)互操作也賦予了該行業(yè)靈活性。這些是可插拔技術(shù)相對(duì)于CPO的主要優(yōu)勢(shì)，而后者將嚴(yán)重依賴于硅光子學(xué)。隨著光學(xué)和硅芯片的高度集成，人們將非常需要新的工程能力和晶圓代工廠，這對(duì)傳統(tǒng)的中型企業(yè)來(lái)說(shuō)是不可接受的。只有價(jià)值數(shù)十億美元的光學(xué)供應(yīng)商才能負(fù)擔(dān)得起從可插拔式轉(zhuǎn)向CPO。

  需要指出的是，盡管主流(主要是大型云運(yùn)營(yíng)商)部署了高端CPO解決方案，但仍有許多小型企業(yè)數(shù)據(jù)中心沒有采用最新的互連技術(shù)，因此技術(shù)之間的交換速度將比較慢。這意味著即使CPO成為主流技術(shù)，對(duì)于CPO在技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上不可行的幾個(gè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，如長(zhǎng)途應(yīng)用和邊緣數(shù)據(jù)中心，可插拔模塊的需求仍然很高。Yole預(yù)計(jì)可插拔技術(shù)在未來(lái)10年內(nèi)不會(huì)被淘汰。然而，可插拔光學(xué)行業(yè)可能會(huì)整合，而CPO市場(chǎng)將形成多供應(yīng)商的商業(yè)模式。

  2020年，光互聯(lián)和交換設(shè)備行業(yè)開始了關(guān)于CPO進(jìn)一步發(fā)展的密集而廣泛的討論。此后宣布了幾項(xiàng)戰(zhàn)略合作，并出現(xiàn)了第一個(gè)概念驗(yàn)證。光互連論壇(OIF)、COBO和多源協(xié)議(MSA)組織等標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)建立了內(nèi)部項(xiàng)目來(lái)創(chuàng)建CPO規(guī)范，這就是業(yè)界重視CPO的證據(jù)。四大超大規(guī)模云運(yùn)營(yíng)商中的兩家——Meta和微軟——積極支持CPO滲透到他們的云網(wǎng)絡(luò)中。

  2022年，數(shù)千臺(tái)CPO殷勤開始試點(diǎn)測(cè)試。今年，我們將看到一些宏觀經(jīng)濟(jì)逆風(fēng)，這將對(duì)預(yù)算密集型項(xiàng)目產(chǎn)生負(fù)面影響，特別是對(duì)CPO等新興技術(shù)。最近的新聞表明，大多數(shù)主要的CPO支持者已經(jīng)暫停了對(duì)CPO計(jì)劃的支持。甚至最終用戶也不再關(guān)注CPO。博通仍然是最后一家CPO供應(yīng)商。CPO失去吸引力有幾個(gè)原因。第一個(gè)原因是圍繞可插拔的成熟的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。此外，用于可插拔封裝的新光學(xué)技術(shù)，包括薄膜鈮酸鋰(TFLN)、鈦酸鋇(BTO)、碳和聚合物調(diào)制器，可以幫助實(shí)現(xiàn)所需的低功耗，并且可以在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的情況下引入市場(chǎng)。無(wú)論哪種技術(shù)，只要在性能、功率、成本和可制造性方面都是最好的，就可以在市場(chǎng)上蓬勃發(fā)展。

  CPO在AI/ML系統(tǒng)中的應(yīng)用前景有所不同。未來(lái)數(shù)以十億計(jì)的光互連(芯片-芯片和板-板)的潛力促使大型晶圓代工廠為大規(guī)模生產(chǎn)做準(zhǔn)備。由于大多數(shù)光子學(xué)制造知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)由非晶圓代工廠持有，大型晶圓代工廠如Tower Semiconductor/Intel、GlobalFoundries、ASE Group、臺(tái)積電和三星等正在準(zhǔn)備硅光子學(xué)工藝流程，以接受來(lái)自設(shè)計(jì)公司的任何光子集成電路(PIC)架構(gòu)。這些公司都加入了相關(guān)行業(yè)聯(lián)盟，諸如PCIe、CXL和UCIe等。芯片組互連的通用規(guī)范允許構(gòu)建超過最大標(biāo)線片尺寸的大型片上系統(tǒng)(SoC)封裝。這允許在同一封裝中混合來(lái)自不同供應(yīng)商的組件，并通過使用更小的模具提高制造產(chǎn)量。每個(gè)芯片組可以針對(duì)特定的設(shè)備類型或計(jì)算性能/功耗要求使用不同的硅制造工藝。