光電共封裝就是把交換芯片和光引擎（光模塊）封裝在一起。光引擎或光模塊的主要功能是指輸入的光纖信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，同時將ASIC（專用集成電路）芯片輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為光信號進(jìn)行輸出。光電共封的方式縮短了交換芯片和光引擎間的距離，使得電信號能夠更快的在芯片和光模塊之間傳輸，提高了效率，減少了尺寸，還降低了功耗，所以CPO的高效率、低功耗有可能會成為后續(xù)AI高算力下最好的解決方案，也是目前最有希望解決ChatGPT算力需求的一個方向。
2019年微軟和facebook就聯(lián)合開發(fā)CPO技術(shù)，驅(qū)動CPO技術(shù)的主要原因就是數(shù)據(jù)中心架構(gòu)正在快速增長，交換機(jī)設(shè)計也在不斷發(fā)展，以支持更大的網(wǎng)絡(luò)需求。將光纖與ASIC（專用集成電路）通過CPO技術(shù)連接可以縮短互連的長度，從而降低開關(guān)光電氣I/O的功耗。主要技術(shù)包括電信號接口、光標(biāo)準(zhǔn)、光模塊管理接口、可靠性要求等。如圖1所示，大家的目標(biāo)都是在短期內(nèi)可以實現(xiàn)51.2Tbps的目標(biāo)即每秒傳輸速度可達(dá)51.2T。
圖1 交換機(jī)ASIC帶寬演變
光電共封裝的演進(jìn)形式如圖2所示。從最開始的將ASIC與銅纜通過主板連接（Copper DAC），然后引入光模塊但是仍然插拔方式通過接口與主板再與ASIC相連（Pluggable Optics TRX），再到通過主板將將光電轉(zhuǎn)換功能從面板搬到主板處理器或者關(guān)聯(lián)電芯片之旁。這樣因為節(jié)省空間而提高了密度，也減少高頻信號的走線距離，從而降低功耗。再到載光學(xué)連接組件(On-Board Optics TRX)則是引入無源接頭并不再采用可插拔式接頭，進(jìn)一步縮短連接長度。接著演進(jìn)到2.5D CPO直接將光驅(qū)動與Switch ASIC封裝在同一個基板上，進(jìn)一步縮短線距，增加I/O 密度。最后通過3D封裝的技術(shù)直接光學(xué)IC直接連接到中介層上，實現(xiàn)小于50um pitch的I/O間距的相連。
圖2 光電共封裝的封裝形式及發(fā)展趨勢
在國際上，2022年英特爾在集成光電方面的一些突破性進(jìn)展。英特爾在一個平臺上實現(xiàn)所有關(guān)鍵模塊的集成，光電發(fā)射、放大、檢測、調(diào)制都可以一個大芯片模塊中利用CMOS工藝制造，整體尺寸和功耗降低非常多。同時，還涉及到一些基礎(chǔ)的器件級的創(chuàng)新，英特爾研制了一個在硅基晶圓上8個波長的激光器陣列，這是光的產(chǎn)生部件，它會對光電封裝的準(zhǔn)確性和能效提升上有很大幫助，并為光電共封裝和光互連器件的量產(chǎn)鋪平道路。
圖3 Intel光電研究進(jìn)展
如圖4進(jìn)一步所示，在展示現(xiàn)場與蘇格蘭Intel實驗室的連線。Intel在這個工作中首次解決了硅光芯片與光纖連接的問題?，F(xiàn)有的方案是使用短光纖（尾纖）從芯片直接連到第二個連接器。Intel的新型連接器直面CPO應(yīng)用的耦合難題，采用可插拔的方式，類似AOC線纜或者M(jìn)TP連接器，可以將光纖直接連接到CPO封裝上，如圖5，6所示從Intel的展示視頻看，這很可能是一種多連接器的連接方案。
圖4 Intel CPO技術(shù)展示現(xiàn)場
圖5 Intel CPO技術(shù)展示，將光纖直接與芯片相連
圖6 Intel CPO技術(shù)展示，將光纖直接與芯片相連
圖3中最后一項八波長分布式反饋激光器陣列可能引起了大家的注意，這里順便提一下。Intel的集成于硅晶片上的八波長分布式反饋（DFB）激光陣列，擁有高出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的±0.25 dB的輸出功率均勻性和±6.5%的波長間隔均勻性，在多波長集成光學(xué)領(lǐng)域處于業(yè)界領(lǐng)先。該技術(shù)確保了光源的一致波長分離，均勻的輸出功率可以滿足光計算互連以及密集波分復(fù)用（DWDM）的通信要求。與此同時，結(jié)合DWDM技術(shù)，既增加了帶寬，又縮小了光子芯片的物理尺寸。特別要指出的是八波長DFB激光器陣列是使用英特爾商用300 mm混合硅光子平臺設(shè)計和制造的，這與在3英寸或4英寸III-V族晶圓廠制造的傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器相比，這項技術(shù)提高了波長均勻性，具有大批量制造和廣泛部署的潛力。
圖7 八波長分布式反饋激光器陣列接口
圖8，中山大學(xué)硅基DFB激光器示意圖(a) 激光器剖面圖，展示了外延層結(jié)構(gòu)、光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和輸出耦合器;(b) 激光器陣列光學(xué)顯微鏡照片;(c)側(cè)壁布拉格光柵的電子顯微鏡照片，展示了超高寬深比的一階光柵
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我國中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室在該領(lǐng)域有專項研究，在2022年該實驗室的論文里指出其可以將波長段數(shù)擴(kuò)展到16段波長。該實驗室于2018年推出世界首例硅基DFB激光器陣列，如圖8所示。當(dāng)然實驗室產(chǎn)品離量產(chǎn)還是有一定的差距，希望我國的光電共封技術(shù)早日量產(chǎn)。如果您是該領(lǐng)域的專家，歡迎入群交流。
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：先進(jìn)封裝之被ChatGPT帶火的光電共封裝技術(shù)CPO