新标准推动Co-Packaged光学

承诺Co-packaged光学(CPOs) 5倍的带宽可插入连接,但新的架构需要多种变化,以适应不同的应用程序。

光学网络互连论坛(OIF)最近出版的标准co-packaged光学、光子产业的希望处理今天的快速以太网接口,以及在未来增加速度和功率要求。“800 gb, 1.6 tbs以太网可以利用这种技术来提供,在一个有效的方式,快速以太网连接在数据中心,”Scott Durrant表示,战略营销经理Synopsys对此。

标准地址的基本问题,但从更高层次的抽象。“你有电气接口和光子学接口,需要标准化,”亚历山大Janta-Polczynski说,先进的半导体封装在IBM高级顾问工程师,一个OIF成员参加了委员会。“你要用什么样的连接器?你打算如何构建接口?你打算如何测试它吗?什么样的电气线路速度你会?没有一个单一的标准,因为不同的应用程序有一些特殊的挑战。它更像是一个模板CPO需要什么,但它是非常有用的。”

CPO是一个反思的建筑来减少延迟和减少能源消耗。解决方法是类似于CMOS near-compute战略布局——效率是通过把基本元素需要紧密沟通。在光子学,标准配置和电子开关芯片痕迹,一路跑的前面板,可插入光学插入的地方。

好工作了三十年,但随着数据速率的增加,能源效率低下成为更加明显。“可插入前面是非常困难的对权力的使用、“Janta-Polczynski说。“因为系统需要发送电信号,他们需要中继器——并行转换器序列化数据和发送它通过电脑前面板。这消耗了大量的能源。当你到达那些大开关速度在人工智能应用程序真正用疯狂,功耗非常强烈的和有害的。”

其他人也同意。“移动数据所需的能量从开关芯片——ASIC光学模块的前面板开关变得站不住脚的,大约8焦耳每一点,“Durrant表示。“一个开关为载有400吉比特以太网相当于大约100瓦的电力在这个芯片之间移动数据这个开关ASIC和可插拔模块前面板。这是可控的,但作为开关速度的增加,所需的能量会增加到200或400瓦。这就很难很酷的东西。”

在这一点上,工程师开始考虑一个新的方案叫做"“车载光学”光学模块小一点的想法,把它们接近于ASIC。不幸的是,它没有工作。一旦所有所需的功能纳入标准,具有讽刺意味的是出来的光模块比之前和电能节约不实现。

教训,最新的方法叫做“co-packaged光学、光学模块的转移到同一衬底开关ASIC。这允许数据移动很短的距离在一个非常低损耗的衬底。所需的能量和预期将大大低于三个焦耳每一点,应该有可能在1.6每秒移动数据或更快。

图1:向co-packaged光学方向演化。来源:Synopsys对此

“co-packaged光学上有很多工作,”罗伯特·马赫,首席技术官在Infinera光学模块和连贯的解决方案。“供应商如Broadcom和英特尔正在开发co-packaged光学可以取代通过即插即用组装。所有co-packaged光学是高度并行化和集成开关内的路由器。他们通常在SiPh pluggable-based实现激光,也插入开关面板。这里的目标是取代low-reach内可插入的数据中心。交换机路由器与co-packaged光学光学面板的I / O。

最近宣布的标准从OIF定义3.2 t co-packaged以太网交换模块,目标应用程序。它利用100克电车道和50克道提供向后兼容性。此外,模块定义的形式可以是一个光学模块或一个被动的铜电缆组件,提供约140 g / mm的带宽边缘密度。它可以使光学和/或电气接口51.2 tb / s开关总带宽。

这种方法还解决了一个更基本的问题——光学组件对温度非常敏感,这可能会导致失败。鉴于组装的复杂性,可以减少制造业产量。大会期间,这使我们不得不允许替换。

“这是同意做一个套接字co-packaged组装方法,”杰夫哈钦斯说,作为董事会成员和锁相环工作小组的副主席Co-Packaging OIF,以及首席技术官办公室主任Ranovus。“Co-packaging可以把功率,因为你现在发送电子痕迹,衬底上是正确的而不是很长时间。”

详细,新的实现协议包括互操作性规范3.2 Tb / s CPO模块包括一个8 x400gb / s光学接口连接选择FR4(四个光学通道在一个纤维)和DR4(一光纤通道,四个不同的纤维)。

“FR4和DR4标准已经存在好多年了。通常,他们名字像400 gbase-dr4,这意味着它是一个400克的链接。随着数据速率上升,缩略词保持周围,甚至只是意味着有四条车道/纤维随着数据率的增加,”哈钦斯解释说。“3.2 T模块有八个接口的一个模块每个纤维携带一巷纤维(博士)或四车道每100克纤维(FR)。使它400 g接口,我们八的一个模块。”

理解程度差异,考虑到一个可插拔模块通常是在18毫米宽,80毫米长,和只有一个400克的链接,而新标准描述了模块可以包含八个。“这是密度远高于人们用于更小的形式因素,”哈钦斯说。

标准还指定了一个32 x cei - 112 g - xsr(额外的短达到)主机接口(或32 x CEI-56G-XSR“向下兼容”模式)。

“在普通以太网交换机,架或书架上,他们会用很短及接口面板,”哈钦斯说。“这是一个额外的短,这意味着它是一个低功率,小于2焦耳每一点的东西。它只能达到约50毫米,这使得它适合一个on-substrate ASIC芯片这光学引擎之间的联系。规范是112 g,但本质上有100 g的数据以及必要的开销。”

co-packaging主要的价值主张之一是降低整体功耗,但有一个具有挑战性的另一面——功率密度。“在一个常规开关卡,你都可插拔模块前面板与进入的空气冷却,”他说。“然后你有开关芯片,与球迷其他解决方案给经济降温。虽然CPO降低整体功耗,功率密度很高,CPO包装区域,因为你把很多比你之前的东西。由于功率密度,热管理是一个更复杂的问题。必须重新思考它可能在某些应用程序中。”

图2:光学发展布局-一个稍微不同的观点。来源:日月光半导体

未来:现在是多久?
甚至有一个潜在的替代co-packaged光学、光学线性驱动的形式,这是首次由NVIDIA去年10月了。像OIF在其所描述的那样总结性的报告与CPO,有相似之处。“在这两种情况下,两个dsp从链接删除,降低功耗。CPO移动光学接近ASIC,但linear-drive可插入光学保持面板的开关。”

各种形式的可插拔可能继续成为最先进的惊人的长时间。“去年在离岸金融中心,有大量的谈论co-packaged光学,”罗布说海岸,高级营销副总裁,Infinera。“你会想到大量的进步给所有的谈话,但这是几乎完全相反。大多数人说,‘嘿,我们取得这么大的进步可插入光学、降低成本和使更高的容量,它看起来可能推出推动co-packaged光学至少几年。”

的一部分是由一系列挑战,Infinera的马赫说。“挑战围绕厂商锁定、开关+光学由一个供应商提供,如BRCM。Hyperscalers通常有大量的供应商控制intra-DC可插拔。元和谷歌在离岸金融中心,他们将坚持50 t类的可插拔交换机路由器。另一个挑战是失败的方面co-packaged光学部分。每个SiPh部分携带6.4 t BRCM Tomohawk 5箱。如果一个车道下降,你需要盒子,打开整个6.4 t插座和替换。目前的方法,如果你有一个糟糕的插头,你本替换为另一个。”

还有实际的方面:“我走在离岸金融中心,并要求人们做这些光学、航运这些吗?”迈克尔说Klempa OIF互操作性的椅子上。“他们说,没有。我认为他们建立了一个解决方案,一个不需要解决的问题。但每个人都同意这是需要得到最终解决。所以它是好的,人们把在工作吧。”

或者是,IBM的Janta-Polczynski宣称:“一个标准CPO对光子学的出现颠覆性技术至关重要。”

最后,关于CPO之间的辩论和可插拔,迈克尔•Lebby光波的首席执行官逻辑,观察到的标准包括一个内部激光源以及外部激光源。“外部激光源是一个可插入模块,”他说。“我以为co-packaged光学的整个概念是摆脱可插拔模块。但是现在他们带回来,这意味着有一群相信外部激光驱动是正确的路要走,也许因为可靠性,也许是因为你有一个强大的激光而不是很多机载激光可以受到可靠性和热的问题。正确的形式是什么?如果co-packaged光学模块,真正接近电子开关芯片是足够小,适合一个可插拔形式因素,,谁让这些模块得到双赢。”

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公司包装光学数据中心(半导体工程视频)。https://www.youtube.com/watch?v=lC0i7_ilpf8&ab_channel=SemiconductorEngineering

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