引领数据中心性能飞跃的CPO硅光技术

共封装光学（Co-packaged Optics，缩写为CPO）是一种新型的光学封装技术，旨在将光学元件直接封装在芯片内部，可以通过更短的光学路径和更紧密的光学耦合实现更高效的光通信，同时也可以减少光学连接和对准的复杂性，从而实现更高密度的光电集成和更高性能的光通信系统。

CPO硅光技术有利于减少高速电通的损耗和管控成本，具备高级程度的CPO技术正迎来其发展黄金期。

全球多家不同背景的大厂商已开始布局该领域研发。目前AWS、微软、思科、博通、英伟达均在布局CPO技术和产品。比如：设备商思科和Juniper未来都将推出51.2T/s的CPO交换机；博通发布了基于光电共封装（Co-Packaged Optics，CPO）技术的下一代交换机ASIC芯片的发展路线图。国内厂商锐捷网络正式推出首款应用CPO技术兼容液冷散热模式的技术中心交换机。

目前，硅光技术有两个主要发展路线：CPO（Co-Packaged Optics）光电共封装和NPO（Near Packaged Optics）光电近封装。这两种方案都能够在提升数据中心性能的同时显著降低能耗并且帮助企业管控成本。

CPO 的出现主要是为了解决高频电链接距离的问题。数据中心带宽的增长导致SerDes 速率不断提升，功耗随之增加。为了保障信号的高质量传输，优化 SerDes 功耗，信号传输距离将会相应缩短，即交换芯片和光模块之间的封装距离需要进一步缩短。除此之外，随着数据中心内部流量的不断增长，每根光纤的传输容量也在不断提升，而数据中心光纤的单芯容量只有 100-400G，要做到大规模的数据吞吐意味着需要不断增加通道的数量，CPO 可以提高集成度。根据数据显示，通过采用 CPO技术，光学连接所需的功率有望降低 50%以上。

CPO 作为新型光电子集成技术，基于先进封装技术将光收发模块和控制运算的ASIC 芯片异构集成在一个封装体内，形成具有一定功能的微系统。先进封装技术是一种采用先进的设计思路和先进的集成工艺技术，如硅通孔、重布线, 、倒装、凸点、引线键合等对芯片进行封装级重构，能有效提升功能密度。下游行业对高容量（更多通道更高速率）、低能耗、低成本、可靠性的追求，带动光模块的光电互连封装技术不断创新演化。从最初的 AOC 有源光缆、可插拔光模块，到 PCB 板载光模块，到如今广泛探讨的 CPO 封装，都是在适应不断增长的数据量要求。

按照物理结构 CPO可分为 3 种技术形态：2D平面 CPO、2.5D CPO 和 3D CPO。

2D 封装：是将 PIC 和集成电路并排放置在基板或 PCB 上，通过引线或基板布线实现互连。2D 封装的优点是易于封装、灵活性高，EIC 和 PIC 都可以使用不同的材料、利用不同的工艺单独制作。

2.5D 封装：是将 EIC 和 PIC 均倒装在中介层（interposer）上，通过 interposer上的金属互连 PIC 和 EIC，interposer 再与下方的封装基板或 PCB 板相连。

3D 封装：通过将光电芯片进行垂直互连，可以实现更短的互连距离、更高的互连密度、更好的高频性能、更低的功耗、更高的集成度以及更紧凑的封装，是目前 CPO 技术研究的热点和趋势。

2022 年博通首次推出了一款基于 3D 封装的光引擎，它将 PIC 倒装在 EIC 上方，EIC 与 ASIC 芯片通过基板互连。将 25.6Tbps 的 Tomahawk 4 交换机芯片和 4 个 CPO结构的光引擎封装在一起形成一个交换机，单个 CPO 模块支持 3.2Tbps，整个系统包含 4 个 CPO 模块，共有 12.8Tbps 的带宽。博通称采用 CPO 的结构可以节约 40%的功耗和 40%的每比特成本。

散热问题对于 CPO 来说具有重大挑战。CPO 中放置光和电器件的空间十分狭小，并且光学器件对热特别敏感。在 CPO 标准工作组所做的模拟仿真中，在风速 5m/s的条件下，当采用 16 个的 CPO 模块和一个开关芯片模型设计时，开关芯片的温度为 151.76℃，几乎无法正常工作。

主流的热可插拔模块在维修时非常方便，但作为不可插拔的 CPO 封装技术在维修时难度较高，因此测试、良率以及可靠性问题成为 CPO 产业化的关键。由于光芯片是直接与电芯片通过先进封装工艺封装在一起的，如果某颗芯片发生了损坏，整个模块就无法正常工作，这不仅使良率下降，也给测试带来了诸多困难。CPO 的光学器件具有不同于以往开发的任何子组件的通道密度，这意味着现有的测试解决方案不能满足测试要求。可靠性要求具体包括使用寿命、故障率等方面，提高产品可靠性可以大幅降低后续 CPO 的维护成本。

2020 年以来 CPO 逐渐从学术型研究成果转变为市场需求的产品。如英特尔、博通、美满科技等行业内龙头企业均已推出多款基于 CPO 的量产产品，其他企业也在积极地布局相关产品，并推进 CPO 技术标准化。云服务厂商 Facebook 和 Microsoft创建了 CPO 联盟，旨在打造一个平台吸引各细分行业龙头企业加入联盟，推动 CPO 标准的建立和产品的发展。

与国外相比，我国企业则普遍较晚进入 CPO 领域，在产品开发进度及技术研究方面存在明显的差距。CCITA 牵头的 CPO 标准是当前我国唯一原生的 CPO 技术标准，其目的是结合目前国内外在光互连技术发展及应用场景的差异，联合国内光模块、光收发芯片、电驱动放大芯片、光源、连接器等厂商，共同打造更加适合我国的 CPO 标准。光迅科技、中际旭创、华工科技、新易盛、阿里云、通宇通讯、海信、博创科技、联特科技等都已开始涉足光电共封领域，但由于起步较晚，目前还没有CPO 相关的产品推向市场，主要产品还都集中在 400G、800G 的硅光模块。