光电共封装(CPO)技术达到功耗效率拐点

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引言

人工智能和大型语言模型对计算能力的需求持续增长，数据中心面临核心挑战：如何在控制能耗的同时高效传输海量数据。光电共封装(CPO)技术正在商业化进程中取得突破，为现代计算基础设施中的高速数据传输提供了新的解决方案[1]。

功耗效率的本质变化

传统方法中，光学收发器独立放置在服务器机架前端，而CPO技术将光学组件直接集成在主处理芯片旁边，在基于光的数据处理和电子数据处理之间建立紧密配合关系。

功耗效率的提升令人瞩目。传统可插拔光学模块每传输一比特数据消耗约15皮焦耳能量，而光电共封装技术将这一数值降低到约5皮焦耳每比特，并有明确路径实现小于1皮焦耳每比特的目标。能耗的大幅降低直接转化为数据中心运营成本的下降，同时减少了AI训练和推理操作对环境的影响。

带宽改进同样显著。光电共封装提供每毫米1太比特每秒的带宽密度，在相同物理空间内实现更高的数据吞吐量。这种密度增加使数据中心运营商能够在现有机架基础设施中封装更多计算能力，最大化昂贵空间资源的价值。

图1：创建光电共封装模块的制造工作流程，显示了将光学和电子组件集成到单个先进封装中所需的连续步骤。

技术架构的创新机制

光电共封装的技术优势在于其解决互连瓶颈的架构方法。在传统数据中心设置中，电信号必须从主处理芯片通过印刷线路板走线传输相对较长距离才能到达光学收发器。这些电气路径消耗大量功率，并引入信号衰减，限制了速度和效率。

光电共封装通过将硅基光电子集成芯片直接放置在主计算芯片旁边来消除这种低效率。电信号传输距离大幅缩短至仅100微米，几乎消除了困扰传统设计的耗电中间连接。这种紧密程度使串行器-解串器组件能够处理低得多的信号损耗，通常为1到2分贝，而标准实现中则超过20分贝。

在这些集成封装中工作的关键光学组件包括激光发射器、光电探测器、波导、调制器和完整的硅基光电子集成芯片。调制器通常实现为微环或马赫-曾德尔配置，作为电域和光域之间的关键接口，将数字电信号转换为精确控制的光脉冲，同时管理通过光网络的传输。

密集波分复用技术使多个数据流能够共享单根光纤，大幅提高每个物理连接的数据承载能力。随着带宽需求持续攀升，这种复用方法对于管理光纤基础设施复杂性变得越来越重要，否则会使数据中心设计变得难以承受。

制造挑战和精度要求

尽管CPO技术具有巨大潜力，但在成功实现大批量生产方面面临重大制造障碍。最关键的挑战涉及在光纤和蚀刻在硅基光电子芯片中的微观波导之间实现极其精确的对准。

这些组件之间的尺寸差异带来了令人敬畏的工程挑战。标准单模光纤直径为8到10微米，而硅绝缘体上硅波导的横截面可能只有500纳米×220纳米。这种尺寸不匹配类似于试图将篮球大小的管道与豌豆大小的管道对准，需要在几十分之一微米内的对准精度以最小化信号损耗。

图2：在光电共封装系统中定位光纤阵列单元的替代架构方法，突出了不同配置如何影响光耦合效率和整体系统性能。

两种主要对准策略已经出现来解决这一挑战。被动对准依赖于精确制造的V槽，机械引导光纤相对于波导的正确位置。这种方法通过实现直接、永久的光纤到芯片连接提供最低的光损耗，尽管在整个Assembly过程中需要极其准确的制造公差。

主动对准采用不同方法，使用具有六个自由度的复杂定位系统来操纵光纤阵列，同时光功率流过系统。当实现最大光耦合时，光纤被永久粘合到位。虽然更复杂，这种方法可以适应轻微的制造变化，并且通常在多个通道上同时实现更好的整体耦合效率。

热管理和系统可靠性

热管理在光电共封装实现中代表另一个重大挑战。高功率处理芯片产生大量热能，可能大幅影响附近光电子组件的性能。小至1摄氏度的温度波动可能使光波长偏移约0.1纳米，潜在地破坏密集波分复用系统所需的精确波长控制。

行业通过精心设计的热界面材料和主动温度控制系统来解决热挑战。许多实现将激光源与主封装分开，专门因为激光器在高温条件下代表最不可靠的组件。片上传感和控制线路持续监控温度条件，并进行实时调整以在变化的热环境中保持最佳性能。

可靠性工程变得特别重要，因为光电共封装不能依赖可插拔收发器使用的简单组件更换策略。相反，系统设计师融入多层冗余，包括备用激光器，当主要源失效时可以自动切换到服务中。先进的监控系统持续评估组件健康状况，并可以在故障影响系统操作之前预测故障。

内置自测试能力使系统能够在没有外部干预的情况下验证电子和光学路径的正确操作。这种自主测试能力对于维持大规模数据中心部署中的系统可靠性证明是必要的，在这些部署中人工干预将是过度昂贵的。

集成策略和技术发展

行业继续探索光电共封装实现的2.5D和3D集成方法。在2.5D配置中，电子和光电子集成芯片并排放置在硅中介层上，通过复杂的微凸点和硅通孔技术连接。中介层基板可以合并额外的光学元件，如波导和光栅，以增强光耦合效率。

三维集成垂直堆叠光电子和电子线路，通常利用先进的混合键合技术在层之间创建紧密的电气连接。这种方法允许每种线路类型使用其最佳工艺技术制造，电子线路受益于领先的CMOS节点，而光电子线路利用专用的硅基光电子平台。