COBO與Co-package的光電封裝

  在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的交換機(jī)以及一些高性能計(jì)算設(shè)備上，其對外高速連接的端口密度非常高。出于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱以及可維護(hù)性的要求，一般會把光模塊的插槽集中放在前面板上，這樣電交換或者計(jì)算芯片到前面板光模塊之間一般會有約20cm～40cm的電走線長度，這些走線的密度非常高，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(fù)雜的針對電信號的預(yù)加重、均衡、時(shí)鐘恢復(fù)等電路，這些都增加了系統(tǒng)的成本、功耗和設(shè)計(jì)難度。

  隨著電接口速率的提高，為了減小交換芯片到光模塊之間的通道損耗以及系統(tǒng)的功耗、體積，目前采用的主要技術(shù)方向有3種：板內(nèi)同軸走線、板載光模塊(COBO)以及光電混合封裝(Co-pakage)。

  板內(nèi)同軸走線是指用低損耗的同軸走線代替PCB實(shí)現(xiàn)主機(jī)芯片到光模塊之間的板內(nèi)電連接。比如在12.5GHz的頻點(diǎn)，如果走線長度為30cm的話，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(Twinax)可以做到3dB左右。板內(nèi)同軸走線的方法已經(jīng)在市面上一些400G的交換機(jī)設(shè)備上開始使用，這種方法對于最終用戶的使用和維護(hù)習(xí)慣沒有改變，因此比較容易普及，但其成本比傳統(tǒng)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(nèi)而不是前面板插槽上。其相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)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(guī)范。在PCB板內(nèi)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(fù)雜的預(yù)加重和均衡，有CDR電路重新對信號做下整形即可，因此系統(tǒng)整體功耗和成本可以降低;由于電信號在PCB板內(nèi)轉(zhuǎn)換為光信號，前面板不再需要放置傳統(tǒng)意義上的光模塊，可以通過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(hù)的難度也要大一些。比如傳統(tǒng)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(yīng)用場景。

  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)也是解決未來更大規(guī)模光電互聯(lián)的難題的熱點(diǎn)技術(shù)。未來隨著光模塊速率的進(jìn)一步提升，單路電口的速率會提高到112Gbps甚至224Gbps，光電混合封裝(Co-package)即把光引擎(實(shí)現(xiàn)光收發(fā)功能的模塊)直接集成在數(shù)字芯片如交換機(jī)或計(jì)算芯片的基板上，這樣可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字芯片到光引擎之間的電走線最短。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景以及技術(shù)規(guī)范(參考資料：http://www.copackagedoptics.com/)，可以支持51.2T交換容量交換機(jī)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(guī)范中，光引擎和交換機(jī)芯片間可以采用CEI-112G-XSR的接口，支持在封裝基板上最長5cm左右的走線;光引擎直接輸出光信號口，可以通過光纖陣列(Fiber Array)轉(zhuǎn)換成MPO接口的光纖對外連接;光引擎的激光源可以內(nèi)置也可以外置，如果外置的話需要通過保偏光纖(PMF)連接外部光源，如果內(nèi)置的話需要有備用的光源以提高系統(tǒng)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(jī)發(fā)布。

  光電聯(lián)合封裝技術(shù)在功耗控制和提高系統(tǒng)交換或計(jì)算容量方面有很大的吸引力，預(yù)計(jì)未來3到5年會逐漸在高密度數(shù)據(jù)交換或高性能計(jì)算場合開始應(yīng)用。但是這個(gè)技術(shù)的普及還有很多挑戰(zhàn)，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(tǒng)維護(hù)方法等技術(shù)挑戰(zhàn)以外，更重要的是對整個(gè)光通信產(chǎn)業(yè)鏈的重構(gòu)。

  下圖比較了傳統(tǒng)交換機(jī)和未來基于Co-package技術(shù)的交換機(jī)開發(fā)流程的區(qū)別?？梢钥闯?，傳統(tǒng)交換機(jī)采用可插拔光模塊形式，整個(gè)系統(tǒng)是在硬件開發(fā)的最后階段才和光模塊組合在一起，設(shè)備內(nèi)部也沒有光路連接;而采用了光電聯(lián)合封裝技術(shù)后，在數(shù)字交換芯片或計(jì)算芯片生產(chǎn)階段就要和光引擎進(jìn)行集成，最終的系統(tǒng)硬件集成階段還可能涉及激光源以及板內(nèi)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)的采用可能會是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。預(yù)計(jì)在未來的很長一段時(shí)間，可插拔的光模塊仍然會是實(shí)現(xiàn)高速光連接的主流技術(shù)方式。

  文章來源：微信公眾號“測量的知識”