COBO與Co-package的光電封裝

  在數據中心領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有約20cm～40cm的電走線長度，這些走線的密度非常高，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方向有3種：板內同軸走線、板載光模塊(COBO)以及光電混合封裝(Co-pakage)。

  板內同軸走線是指用低損耗的同軸走線代替PCB實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，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。板內同軸走線的方法已經在市面上一些400G的交換機設備上開始使用，這種方法對于最終用戶的使用和維護習慣沒有改變，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等公司發起成立，并與2018年發布了板上封裝光器件的相關硬件規范。在PCB板內直接安裝光器件有幾個優點：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，除了產業鏈還不太成熟以外，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，但是需要把整個板卡取出后進行更換，對于正常業務的影響比較大。下圖是典型板上光模塊的應用場景。

  除了COBO技術以外，基于硅光技術的光電聯合封裝(Co-package)技術也是解決未來更大規模光電互聯的難題的熱點技術。未來隨著光模塊速率的進一步提升，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(實現光收發功能的模塊)直接集成在數字芯片如交換機或計算芯片的基板上，這樣可以實現數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年發布的一款3.2T容量光引擎的使用場景以及技術規范(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個這樣的光引擎在芯片基板上封裝在一起，每個光引擎上提供8個400G的光接口。在其技術規范中，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)轉換成MPO接口的光纖對外連接;光引擎的激光源可以內置也可以外置，如果外置的話需要通過保偏光纖(PMF)連接外部光源，如果內置的話需要有備用的光源以提高系統的可靠性。目前，騰訊已經有基于25.6T交換芯片的CPO交換機發布。

  光電聯合封裝技術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3到5年會逐漸在高密度數據交換或高性能計算場合開始應用。但是這個技術的普及還有很多挑戰，除了高密度封裝的難度、如何進行散熱、光引擎本身的可靠性、系統維護方法等技術挑戰以外，更重要的是對整個光通信產業鏈的重構。

  下圖比較了傳統交換機和未來基于Co-package技術的交換機開發流程的區別?？梢钥闯?，傳統交換機采用可插拔光模塊形式，整個系統是在硬件開發的最后階段才和光模塊組合在一起，設備內部也沒有光路連接;而采用了光電聯合封裝技術后，在數字交換芯片或計算芯片生產階段就要和光引擎進行集成，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。由于整個產業鏈都需要重新分工和定位，Co-package技術的采用可能會是一個循序漸進的過程。預計在未來的很長一段時間，可插拔的光模塊仍然會是實現高速光連接的主流技術方式。

  文章來源：微信公眾號“測量的知識”