协同封装光学器件会取代可插拔器件吗?

随着光纤连接深入数据中心，一场争论正在进行中。是使用可插拔光模块更好，还是将激光器深入到高级封装中更好?围绕便利性、功率和可靠性等问题展开了讨论，最终的赢家还不清楚。

该公司光子学首席产品经理詹姆斯•庞德表示:“业界无疑正在拥抱协同封装光学器件。有限元分析软件．“它出现的原因不一定是为了取代数据中心收发器，而是为了实现人们希望能够做的所有其他事情。”

可插拔光学是目前默认的基于他们的使用长途光学。协同封装光学技术(CPO)有一定的前景，但该技术需要克服可靠性方面的问题，才能得到全面应用。一旦它获得商业地位，它可能会带来新的应用程序，而不是取代可插拔程序。

多年来，光学的主要应用一直是长途通信。庞德说:“如果没有可插拔式收发器，光收发器可能不会以同样的方式发展。”

可插拔收发器通常使用激光产生的光VCSELs并嵌入到模块中。这些模块的外形因素已经发生了变化，但插入光纤连接的固有便利性并没有改变。

庞德说:“可插拔设备非常非常成功。“原因是它们是高度模块化的。只要它们符合你的目标通信标准的规范，你就可以从任何供应商那里交换它们。”

图1:四小尺寸可插拔(QSFP)模块来源:Jesse Schulman/CC BY-SA 3.0

然而，随着带宽需求的增加，数据中心也在不断发展。此外，不仅需要在机架内移动数据，还需要在整个数据中心范围内移动数据，甚至需要将数据移动到另一个数据中心以提高可伸缩性。光学对于这种应用很有吸引力，但距离远小于长途通信所需的距离。

数据中心的功率一直是人们关注的问题，而数据移动是这种功率的重要贡献者。Arista Networks的董事长兼首席开发官Andy Bechtolsheim在今年的Hot Interconnects会议上的一次演讲中指出:“数据中心以每年50%或以上的速度增长。”“每比特的网络功率以大约一半的速度下降，这确实意味着网络(包括光学)消耗的功率正在以不健康的速度增长。”

这引发了一场关于提供激光能量的最佳方式的辩论。默认情况下，可插拔光学是现有的技术。而所谓的“板上光学”(on-board optics, OBO)是将光学系统深入到服务器或其他系统的第一步。但是将激光源集成到芯片封装中已经激发了人们的想象力，现在它正受到开发人员的严格关注。

把信号传送到需要的地方
通过可插拔收发器，可以将一个光学模块插入系统的一侧，这几乎就是所需要的全部。激光源在模块中，所以它不是计算系统的一部分。庞德说:“如果其中一个坏了，你只需拔下插头，再插上一个新的。”

但是插入信号的地方并不是信号用于计算的地方。Pond解释说:“可插拔收发器的缺点是，你必须从芯片或电路板到可插拔收发器进行电通信。考虑到今天的速度，这种连接通常是电气SerDes连接。

Pond说:“根据可插拔收发器的标准，你可能还会遇到重新计时的问题。“所以在这个过程中，你开始消耗大量的能量，随着速度的提高，在到达可插拔收发器的前板时，你会有更多的RF损失。”

使用CPO，激光源可以被放置在与关键计算电子器件相同的封装中。I/O芯片可用于将接收到的激光转换为电信号，或根据需要从邻近的ASIC移动极短距离的电子输入将光信号驱动出来。

该公司光子解决方案总监Twan Korthorst解释说:“将光纤完全带入系统，非常接近开关专用集成电路Synopsys对此．“并且您可以在交换机ASIC附近创建光学I/O芯片，以接收光学连接。”

在这种情况下，光纤一直驱动到服务器，消除了对电气的需求并行转换器连接。这样可以降低系统的整体功耗，同时还能增加带宽。

图2:在顶部，一个QSFP模块插入到系统边缘，在那里信号被转换为电信号，并通过SerDes链路发送到ASIC。底部显示了一个联合封装选项，其中光纤一直运行到高级封装，其中I/O芯片进行电转换，以便立即交付到相邻的ASIC。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

但是，由于这种激光器深藏在安装在电路板上的封装中，如果激光器出现故障，就意味着要更换整个电路板——与更换可插拔模块相对容易相比，这是一个昂贵的前景。

在封装内产生激光
产生激光的方法有很多种，但都不涉及硅。虽然硅可以用来引导和调制激光，但它是一种间接带隙材料，这意味着它不能轻易地产生激光。必须使用一些其他材料-典型的III-V物质，如磷化铟(尽管不是所有III-V材料都有直接带隙)。

“人们想要片上激光器，但硅不能带来光，”Korthorst说。“所以你必须有某种异质集成解决方案，可以把材料放在硅上。”

像VCSELs这样的大型半导体源正在让位于量子阱和量子点等较小的半导体源。“量子井(比量子点)有更高的增益和功率输出，”Synopsys的技术营销经理Jigesh Patel说。“但是如果你在做的话连贯的调制，那么你就不需要那么大的功率。”

量子点被证明更强大，温度更稳定，但它们的效率较低。虽然所有这些激光器提供的功率都低于远程激光器，但这并不是问题。Korthorst说:“当你从数据中心的一边到另一边，或者从一个数据中心到另一个数据中心时，距离是完全不同的。“所以你可以放松光功率预算。”

长期来看，有一些研究项目试图确定添加到硅中的材料是否可以使其产生激光。帕特尔说:“人们正在研究是否能找到一种通过掺杂锗或铒从硅中激光的方法。”“但我还没有看到任何大规模部署或商业利益。”

另一种选择是异质外延，即将激光材料生长在硅上，以创建准单片结构。Korthorst说:“当这些不匹配的材料相互生长时，首先创建一个具有特定形状的小边缘沟槽，就可以缓解机械应力。”这仍然是一个研究课题。

功率因素
一个重要的能源消耗者是激光本身的产生。对于长途应用，需要足够高的功率来传输很长的距离。

Bechtolsheim说:“CPO最初的动机是通过改变电接口来降低电力，从高功率服务，如LR(长到达)，这是当今芯片上的标准服务，到低功率服务，足以在多芯片载波上驱动CPO，然后从该芯片到前面板变成光学。”

人们试图定义一个“极(或额外)短距离”或“XSR”标准，该标准将需要低20%的激光功率。“这实际上并没有发生，”他接着说。“这项服务将需要一个完整的5纳米专用胶带，用于开关芯片和dsp。但目前还没有足够的经济条件来实现这一点。”

相反，他们采用了极短距离(VSR)的方法，节省了15%的功耗，3nm的开发进一步降低了功耗，低于之前的7nm一代。转向相干调制有望进一步降低功率。

Bechtolsheim说:“每两代工艺，电力状况就会改善大约两倍。”“光学也是如此。”

但无论使用可插拔还是CPO，这些电源改进都适用。因此，虽然这些都是降低数据中心功耗的有用发展，但它们并不一定会将指针转向其中一个或另一个解决方案。

只有CPO带来的一个有益的能力变化是消除SerDes链接。Korthorst说:“SerDes消耗了大量电力。

能源消耗随着速度的增长而增长，尽管转移到更激进的硅节点可以改善情况。从整体系统功率的角度来看，移除这一环节将使CPO获得认可。

在协同封装收发器时，解决模块化问题的一种方法是只将激光移到边缘，但这有负功率的后果。

“为了实现CPO的高可用性，人们采用了外部光源的概念——在前面板上的一个可插拔模块，如果模块中的激光器出现故障，可以更换该模块，”Bechtolsheim说。“与传统的可插拔解决方案相比，它有额外的耦合损耗，实际上需要额外的激光功率。”

灰尘成为这个设置的另一个问题。Bechtolsheim解释说:“你很可能还需要膨胀梁连接器来避免灰尘污染，而且膨胀梁连接器比传统的单模连接器具有更高的损耗。”“分路器和偏振的结合使每个连接器的损耗在0.6到1.2 dB之间。当你有了这些额外的连接器时，你最终会在光学方面增加大约2 dB的额外损耗，与可插拔光模块相比，这将使激光功率增加50%。”

可靠性方面的考虑
CPO的可靠性问题管理成本很高。Korthorst说:“如果芯片上的激光器失效了，你就必须更换整个电路板。”

这在经济上毫无意义。Bechtolsheim说:“从整体可靠性、可制造性和可使用性模型来看，你不会想要仅仅因为激光器失效就更换高性能、高功率的系统。”

远程激光往往是可靠的。但由于光电效应和热效应的驱动，收缩和集成会产生问题。有些问题是可以管理的，但集成使其更加困难。如果处理不当，多余的热量也会影响协同封装电子产品的性能。

首先，较小的量子激光器往往产量较低，其中多达50%的激光器无法正常工作。还有老龄化问题，特别是婴儿死亡率高。这就是可插入模块的优势变得清晰的地方。

Synopsys的帕特尔说:“你制造了1000个相同设计的激光器，但在1000个激光器中，只有一定数量的激光器符合你的设计规格。”“其中，在一段时间内，输出功率将下降一半。这就是量子力学的本质。”

当然，对于服务器系统的任何部分来说，可靠性都是很重要的——但是我们还没有针对cpu或gpu的模块化选项。旁德说:“如果CPU和内存之间的连接中断，你可能只需要买一块新主板。”

不同之处在于激光器的可靠性明显低于其他部件。如果这种可靠性可以提高到与其他芯片相同的水平，那么模块化就不那么重要了。庞德说:“要么让它更模块化，要么让它更可靠。”“要达到那种可靠性水平，我们还有很长的路要走。”

热问题使事情复杂化。“光学对热非常敏感，所以你要不断地进行热调谐，”庞德说。“我们使用热效应来调整光学器件以保持它们工作。但问题是，当其他一切都开始升温并加热光学器件时，你的调谐就会开始失控，你必须开始消耗大量的能量来继续加热光学器件以保持调谐。”

量子点可能会缓解一些压力。“材料的粗糙度和激光角度决定了可靠性，而量子点对这些变量更不敏感，”帕特尔说。“量子点的支持者说，量子点的好处可以克服可靠性问题。”

在研究基本可靠性机制的同时，许多激光方案也在探索冗余性。这个想法是提供多个激光器，同时只有一个激光器在工作。如果该板失效，则可以启动备用板继续操作，而无需移除该板。

这种冗余很容易与Ranovus最近的一种方法相混淆，后者在单个芯片上创建了大约3000万个量子点。它们为深度波分复用(DWDM)提供了多种颜色，但每种颜色仍然留下大量的点。

Ranovus首席执行官Hamid Arabzadeh表示:“它们是堆叠在一起的。“这些是自我组装的点，所以没有面具。”

在这里，激光的定位取决于产生的通道的数量。Arabzadeh说:“如果超过32个渠道，客户希望激光器在室外。”“如果它小于32个通道，那么我们可以将激光连接到硅光子学上。对于内部激光源，我们在单片芯片中有空腔，激光被投进去。当你把激光放入里面，光就会从激光边缘耦合到光子学中。”

图3:上图显示了典型的协同封装配置，电子器件安装在光学器件之上，光学器件位于支撑完整光学引擎的基板上。底部显示了一个集成芯片，包括驱动器、跨阻放大器(TIA)和光学器件。光学器件使用大量的量子点来生成DWDM信号的多个波长。来源:Ranovus

这些并不是多余的激光器，因为只有一个激光器，备用激光器在机翼上等待。它们聚集在一起可以提供更高的能量，但从数量上来说，它们可以承受一些点的失败。它们被设计成相干的，所以这种组合就像一个相干激光。

Ranovus表示，他们通过将芯片老化作为正常生产周期的一部分来提高可靠性，以消除发货前婴儿死亡率的影响。此外，量子点更好的温度稳定性可以简化一些随着温度波动的激光调谐。

将我们的视角从激光提升到整个系统，消除SerDes链接有助于提高整体可靠性。庞德说:“现在，当传输信号时，你需要这个复杂的铜互连来连接到可插拔。”“然后，在接收端，你又有一个复杂的铜互连。现在你有了三个互连点，你可以用一个代替。你可能会提高整个系统的可靠性，因为你的链接中有更少的部件。”

通用设计vs.定制设计
CPO提出了一个额外的挑战——必须对每个芯片/激光器/封装组合执行高级封装的全部内容分析。这些包有许多需要考虑的影响，使得模拟和分析需要多物理工具。这包括电子分析、光学分析、信号完整性、热分析，以及建立基础物理模型的能力——尤其是量子效应。

庞德指出:“你在已经复杂的电气和热系统问题中增加了一个全新的物理层面。”“现在你在上面加上了光学。这只会让它更具挑战性。”

更先进的激光会使情况变得更糟。“模拟量子点激光器比传统的MQW(多量子阱)边缘发射激光器要复杂得多，”他补充道。

在建模整个子系统时也会遇到类似的挑战。“在建模和仿真世界中发生的事情是，当我们需要模拟一个具有电气、光学和电气组件的组合链路时，现在我们需要弄清楚如何模拟光发射器和接收器中的光纤的行为，这与电子电路的工作方式有本质上的不同，”totodd Westerhoff说，他是该公司PCB部门的产品营销经理西门子EDA．

这可能会使CPO解决方案的设计复杂化。虽然这些问题对于可插拔也很重要，但模块化意味着它可以为一个模块完成一次，并且该工作将为使用该模块的所有应用程序服务。CPO打破了这种模块化，这意味着每个高级包应用程序都必须包含详细的分析，作为设计流程的一部分。

在职者vs新贵
鉴于可插拔模块已经在使用中，它们明显的便利性意味着它们有支持者。SerDes的消除似乎是唯一强大的故事，可以把可插拔的插座。

然而，就可能的效率和整体系统功率而言，CPO有一定的吸引力。此外，取消SerDes连接简化了系统设计，提高了系统可靠性。但这是以更复杂的包装场景为代价的，所以目前还不清楚它是否会成为一种整体上更简单的方法。

庞德说:“由于模块化和易用性，我仍然认为可插拔设备会在很长一段时间内存在。”“CPO将实现各种其他可能性。这可能会从一些小众应用开始，比如，超高性能计算，你会说，‘我迫切需要这样的速度访问这么大的内存，我愿意为此付出很多钱。’”

它还可能是数据中心的推动者解集架构．但它可能会也可能不会慢慢地侵入可插拔设备。庞德说:“从长远来看，它们可能会完全取代可插拔式电池。”“但这需要很长时间。光学解决了两个主要问题。其中之一是，一旦速度加快，损失不会增加。传播的长度不会改变能量损失。一旦你在两端解决了这些问题，你就可以在几乎任何距离上以任何速度传输，而不需要额外的成本。这意味着未来的互连将是全光学的。”

那么，问题是什么样的光学。目前，CPO似乎还需要做一些证明，才能真正与可插拔光学器件竞争。但CPO承诺扩大光学在系统中的作用，使其成为一种可能的发展——即使这意味着与可插拔设备共存。