Comprendere cos'è un modulo ottico al suo livello fondamentale è il punto di partenza per comprendere il CPO. Mentre i moduli tradizionali sono box esterni indipendenti e collegabili, CPO rappresenta una transizione da un "sistema modulare" a un "sistema di chip co-confezionati".

Perché i moduli collegabili tradizionali raggiungono i loro limiti fisici?

Approccio della capsula di risposta:​I tradizionali moduli collegabili raggiungono i propri limiti fisici a velocità di canale singolo di 224 Gbps perché i segnali elettrici ad alta frequenza si degradano rapidamente sulle tracce della scheda in rame, richiedendo processori di segnali digitali (DSP) assetati di energia per ripristinare l'integrità del segnale.

Negli ultimi 20 anni, i ricetrasmettitori collegabili sono stati il ​​fondamento delle comunicazioni dati. Se un modulo si rompeva, un ingegnere poteva estrarlo e inserirne uno nuovo senza spegnere l'intero interruttore. Questa semplicità plug{3}}and{4}}play ha reso la scalabilità dei data center incredibilmente semplice.

Tuttavia, mentre spingiamo le velocità-single del canale verso i 224 Gbps, ci imbattiamo-prima nelle leggi della fisica. I segnali elettrici ad alta-frequenza soffrono di un'attenuazione estrema (perdita di potenza del segnale) quando viaggiano attraverso piste in rame su una scheda a circuiti stampati (PCB).

A 224 Gbps, il segnale elettrico si deteriora così velocemente che quando percorre da 10 a 30 centimetri di scheda di rame per raggiungere il modulo collegabile, è completamente distorto. Arriva con l'aspetto di un confuso pasticcio di rumore.

Per risolvere questo problema, i ricetrasmettitori tradizionali si affidano a un chip DSP (Digital Signal Processor). Il DSP agisce come un ricostruttore ad alta-velocità, utilizzando calcoli complessi per "indovinare" come appariva il segnale originale e ripulirlo.

Ma i DSP sono incredibilmente assetati di energia-e costosi. Un singolo chip DSP all'interno di un modulo ottico può consumare tra 5 e 10 watt di potenza. Moltiplicalo per decine di ricetrasmettitori collegati a un singolo interruttore ad alta-densità e otterrai un enorme problema termico. Il frontalino dell'interruttore si trasforma in una fornace virtuale.

Anche i nostri ricetrasmettitori 400G QSFP-DD altamente ottimizzati spingono il design collegabile ai suoi limiti ingegneristici assoluti. Al di là di queste velocità, cercare di far funzionare le tracce di rame non è più una questione di miglioramento della produzione; è un collo di bottiglia fisico. CPO risolve questo problema non cercando di migliorare il rame, ma rimuovendo quasi completamente il percorso del rame.

Come fa il CPO a risparmiare così tanta energia?

Approccio della capsula di risposta:​Il CPO consente di risparmiare energia riducendo il percorso elettrico da diversi centimetri a pochi millimetri, consentendo ai sistemi di rimuovere o ridurre i DSP-ad alto consumo energetico e di ridurre i requisiti del driver laser.

I vantaggi in termini di risparmio energetico del CPO derivano da due aree principali:

1. Eliminazione o ridimensionamento del DSP

Poiché la distanza tra il chip dello switch (ASIC) e il motore ottico CPO è di soli pochi millimetri, il segnale elettrico non ha quasi spazio per degradarsi. Arriva fresco e pulito.

Ciò significa che il sistema non ha bisogno di un DSP pesante e- assetato di energia per eseguire il complesso ripristino del segnale. In molti progetti CPO, il DSP può essere completamente eliminato. Ciò riduce istantaneamente da 5 a 10 watt di consumo energetico per porta.

2. Ridurre la potenza del conducente

Quando le linee del segnale sono corte, gli amplificatori elettrici (driver) non hanno bisogno di fornire una tensione così elevata per far passare il segnale. Ciò riduce la potenza del driver a una frazione di quella richiesta dai sistemi tradizionali.

I risparmi energetici reali-nel mondo derivanti da questo cambiamento sono notevoli:

Risparmio per-porto:​Secondo i dati rilasciati da NVIDIA, il passaggio a un design abilitato CPO-riduce il consumo energetico delle singole porte da 30 watt a soli 9 watt (una diminuzione del 70%).

Risparmi a livello di sistema-:​Nelle architetture AI scale-up, l'analisi hardware di Meta ha mostrato che un modulo collegabile tradizionale da 800 G consuma circa 15 W, mentre il motore ottico all'interno dello switch Bailly CPO di Broadcom consuma solo 5,4 W per 800 G di larghezza di banda fornita (un risparmio energetico del 65%).

Risparmiare energia non riduce solo la bolletta elettrica; riduce anche i costi di raffreddamento. Nei massicci cluster di addestramento dell’intelligenza artificiale, il raffreddamento dell’hardware spesso richiede quasi la stessa potenza necessaria per far funzionare i processori stessi. Eliminando il calore a livello di chip, il CPO trasforma in realtà l'intelligenza artificiale verde e altamente sostenibile.

Che aspetto ha un sistema CPO all'interno?

Approccio della capsula di risposta:​Un sistema CPO standard è costituito da tre componenti principali: un motore fotonico al silicio per la conversione elettro-ottica, un array di fibre ottiche (FAU) ad alta-precisione per la connettività esterna e un chip di commutazione del circuito integrato specifico dell'applicazione (ASIC) che funge da cervello.

All'interno di un design co-packaged optics, il layout fisico cambia da un pannello distribuito-a un micro-sistema integrato altamente denso. Ecco i tre pilastri che compongono il suo interno:

1. Il motore fotonico del silicio (PIC)

A differenza dei ricetrasmettitori tradizionali che utilizzano laser e componenti ottici singoli e separati, il CPO si basa sulla fotonica del silicio (SiPh). I circuiti integrati fotonici (PIC) sono prodotti utilizzando processi di silicio CMOS standard (gli stessi stabilimenti che producono CPU per computer). Ciò consente agli ingegneri di stampare guide d'onda ottiche microscopiche, modulatori e rilevatori direttamente su un chip di silicio.

2. Unità array in fibra ad alta-precisione (FAU)

Una volta che il motore fotonico del silicio converte i segnali elettrici in luce, tale luce deve essere incanalata nelle fibre di vetro. La Fiber Array Unit (FAU) allinea dozzine di singole fibre alle porte ottiche del PIC con precisione microscopica. Poiché i nuclei ottici sono larghi solo pochi micrometri, anche un piccolo disallineamento può rovinare la connessione.

Quando produciamo MPO ad alta densità e gruppi di fibre breakout presso COBTEL, la lucidatura delle facce finali a livello di micron è già uno dei principali obiettivi ingegneristici. Nei sistemi CPO, questa precisione viene scalata direttamente sul substrato del chip.

3. L'ASIC Switch (Core Brain)

Questo è il processore centrale che gestisce il routing della rete. Nel CPO, questo enorme chip viene posizionato direttamente accanto al motore fotonico del silicio su un singolo substrato del pacchetto multi-chip utilizzando tecnologie di packaging avanzate (come lo stacking 2,5D o 3D).

La sorgente laser esterna (ELS): mettere la lampadina fuori dal forno

C'è una delle principali sfide progettuali all'interno di un pacchetto CPO: il calore. L'ASIC dell'interruttore in silicio diventa incredibilmente caldo (funziona come un piccolo forno), ma i laser sono altamente sensibili alla temperatura. Se un chip laser si surriscalda, la sua efficienza diminuisce e la sua durata precipita.

Per risolvere questo problema, le architetture CPO utilizzano una sorgente laser esterna (ELS). L'emettitore laser viene spostato completamente fuori dal pacchetto del chip caldo e posizionato sul fresco pannello frontale dello switch. I cavi in ​​fibra ottica ad alta-densità guidano quindi la luce laser non modulata dal pannello frontale al motore CPO sul chip.

Questo design mantiene le "lampadine-sensibili al calore" al sicuro dalla "fornace", rendendo il sistema molto più affidabile. Per padroneggiare queste dinamiche dei componenti, è molto utile studiare le parti principali di un ricetrasmettitore ottico.

Tipi di strutture di imballaggio principali dei moduli ottici CPO

Il modo in cui gli ingegneri organizzano, collegano e impilano fisicamente i chip ottici ed elettrici definisce la struttura del packaging CPO. Oggi l’industria si è basata su tre strutture principali: packaging 2D, 2.5D e 3D.

1. 2D Packaging (integrazione-a-lato)

In una configurazione 2D, il circuito integrato elettronico (EIC) e il circuito integrato fotonico (PIC) sono posizionati fianco a fianco-a-sullo stesso substrato organico o PCB.

CPO per incollaggio di fili:​L'EIC e il PIC si collegano al substrato e sottili fili d'oro colmano lo spazio tra loro. Sebbene sia estremamente flessibile e semplice da costruire, i circuiti di filo creano un'elevata capacità parassita, che limita le prestazioni ad alta-velocità.

Capovolgi-Chip CPO:​I chip vengono capovolti e piccoli rilievi metallici li collegano a un substrato ceramico. Ciò fornisce un percorso del segnale più breve e una migliore temperatura termica, ma i substrati ceramici multi-strato sono costosi.

Confezione a livello di fan-wafer-(FOWLP):​Il PIC e l'EIC sono modellati in uno strato di polimero sintetico e su di essi vengono stampate linee metalliche ad alta-densità (strati di ridistribuzione o RDL) per collegarli. Ciò elimina completamente i legami e gli urti dei cavi, creando un modulo molto sottile e ad alte-prestazioni.

Esempio-nel mondo reale:Lo switch CPO Bailly 51.2T di Broadcom utilizza FOWLP per raggruppare otto motori ottici attorno all'ASIC dello switch centrale.

2. 2.5D Packaging (integrazione basata-su Interposer)

Il packaging 2.5D introduce uno strato aggiuntivo chiamato aninterpositoretra i chip attivi e il substrato inferiore. I chip attivi si trovano sopra questo interpositore, che contiene un cablaggio microscopico incredibilmente denso per instradare i segnali tra di loro.

Interpositore di silicio:​Il PIC e l'EIC si trovano su un sottile strato di silicio. Ciò si adatta perfettamente all'espansione termica dei chip, prevenendo deformazioni fisiche. Tuttavia, il silicio è un semiconduttore e può far sì che i segnali ad alta-frequenza trasmettano energia nel substrato.

Interpositore in vetro:​I trucioli si trovano su un interpositore di vetro. Il vetro è un isolante elettrico eccezionale, che mantiene puliti i segnali ad alta-frequenza.

Traguardo OFC 2026:Intel ha presentato un prototipo CPO con substrato di vetro- alla conferenza sulle comunicazioni in fibra ottica del 2026, dimostrando un aumento di 10 volte della densità di interconnessione.

EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge):​Invece di un gigantesco e costoso interpositore, un minuscolo e sottile "ponte" di silicio è incorporato all'interno del substrato organico proprio sotto i bordi del chip per collegarli. Ciò consente di risparmiare denaro e mantenere un'eccellente integrità del segnale.

3. 3Imballaggio D (impilamento verticale)

Il packaging 3D rappresenta la massima evoluzione del CPO. Invece di posizionare i chip ottici ed elettrici fianco-a-fianco, gli ingegneri li impilano verticalmente, uno direttamente sopra l'altro.

PIC come Interpositore:​Il chip elettronico (EIC) è impilato direttamente sopra il chip ottico (PIC) utilizzando un collegamento ibrido avanzato da rame-a-rame.

Norma della piattaforma:La piattaforma 3D COUPE (Compact Universal Photonic Engine) di TSMC utilizza questo approccio, riducendo la capacità parassita di un incredibile 85% e tagliando la latenza del segnale del 95%.

L'EIC in qualità di Interpositore:​Il PIC è impilato sopra l'EIC. Ciò consente al chip elettronico caldo di collegarsi direttamente al substrato inferiore per un raffreddamento più semplice.

Incorporamento del substrato organico:​La fotonica del silicio è incorporata direttamente all'interno di un substrato organico, utilizzando-guide d'onda polimeriche integrate per instradare la luce. Questo è molto conveniente-ma tende a deformarsi in caso di calore intenso.

Ecco un riepilogo dei compromessi tra questi tre approcci strutturali:

Chi sta creando il CPO? La mappa dell’ecosistema globale

Il CPO non è uno sforzo localizzato; ha dato il via a un’enorme collaborazione globale nella progettazione del silicio, nel packaging avanzato, nella produzione laser e nell’infrastruttura di cablaggio fisico.

1. Giganti internazionali del silicio e dei sistemi

Nvidia:​Il driver più aggressivo della commercializzazione del CPO. Lo switch CPO raffreddato a liquido Quantum-X800 Q3450-LD di NVIDIA (utilizzando la piattaforma 3D COUPE di TSMC) offre 115,2 Tbps di larghezza di banda totale su 144 porte, rimuovendo completamente il DSP per risparmiare oltre 3 kilowatt di potenza per rack di switch.

Broadcom:​Il primo pioniere. Dopo lo switch CPO Bailly 51.2T, Broadcom ha introdotto l'ASIC CPO Tomahawk 6 Davisson, raggiungendo velocità a canale singolo-di 200 Gbps e riducendo il consumo energetico ottico del 70%.

Intel:​Sfruttando oltre 20 anni di ricerca, Intel si sta concentrando sulle interconnessioni di calcolo ottico (OCI) per collegare direttamente i chip CPU e GPU utilizzando percorsi ottici a larghezza di banda elevata-.

Cisco e Marvell:​Realizzazione di router CPO SiliconOne personalizzati e motori 3D Silicon Photonics integrati direttamente all'interno di XPU personalizzate.

2. Fonderie di semiconduttori

TSMC:​Fornire il motore di produzione fondamentale con la sua piattaforma COUPE, consentendo il collegamento ibrido 3D ad alto-volume di circuiti ottici ed elettrici.

GlobalFoundries (GF Fotonix) e Tower Semiconductor:​Offre piattaforme di progettazione fotonica del silicio aperte e altamente standardizzate per i principali costruttori di tecnologia.

3. Leader della catena di fornitura e dei componenti

Allineamento di precisione (FAU):​Tianfu Telecom è un leader globale nella produzione di FAU ad alta-precisione e nei motori luminosi da 1,6 T e funge da fornitore principale di sistemi CPO AI di fascia alta-.

Emettitori laser (ELS):​Lumentum e Coherent sono leader nello sviluppo di sorgenti laser esterne. Nel frattempo, aziende come Yuanjie Technology hanno costruito una forte posizione di mercato fornendo chip laser CW-DFB.

Infrastruttura di commutazione e raffreddamento:​Ruijie Networks, H3C e specialisti del raffreddamento come Envic forniscono configurazioni di raffreddamento a liquido pronte per CPO- per gestire carichi di calore elevati.

4. Il ruolo di COBTEL nell'ecosistema

In qualità di produttore OEM di componenti ottici avanzati, COBTEL svolge un ruolo cruciale nel livello dell'infrastruttura fisica. I sistemi CPO utilizzano un numero di fibre incredibilmente elevato per instradare la luce e i segnali laser. I nostri patch cord in fibra MPO ad alta-precisione e i nostri armadi per server personalizzati sono progettati specificatamente per supportare le tolleranze sub-micron e l'alta densità richieste dagli switch CPO e dagli acceleratori AI.

Il CPO sostituirà completamente i tradizionali moduli collegabili?

Approccio della capsula di risposta:​No, CPO e moduli ottici collegabili co-esisteranno nel prossimo futuro, poiché i moduli collegabili rimangono ideali per collegamenti a lunga-distanza, altamente flessibili e hot-scambiabili, mentre CPO si rivolge a cluster AI a breve-raggiungimento e ultra-densi.

Nonostante l'enorme entusiasmo che circonda l'ottica co-confezionata, non si tratta di un sostituto "unico-"-adatto-a tutti" per i tradizionali moduli collegabili. Invece, le due tecnologie coesisteranno-, ciascuna svolgendo ruoli diversi nella rete.

Pluggable: il re delle lunghe distanze e della flessibilità

Per le-interconnessioni di data center a lunga distanza (DCI)-come il collegamento di due data center in una città o in uno stato,-i tradizionali moduli collegabili come il nostro-ricetrasmettitore ottico 800G ad alta capacità rimarranno lo standard.

Questi collegamenti non necessitano di un'integrazione di chip ultra-densa, ma richiedono un'elevata flessibilità. Se un trasmettitore a lunga distanza-si guasta, la sostituzione di un modulo collegabile-sul pannello anteriore richiede pochi secondi e mantiene in funzione il resto dell'interruttore.

CPO: Master a breve-distanza, ultra-larghezza di banda elevata

La casa del CPO è all'interno del cluster AI. Per connettere GPU ad altre GPU o collegare switch spine all'interno di una singola sala dove le distanze sono brevi (sotto i 100 metri), la densità di larghezza di banda e il risparmio energetico sono le priorità assolute.

In questo spazio, il CPO non ha eguali.

Gli analisti del settore stimano che il CPO rappresenterà circa l'1% dei moduli ottici legati all'intelligenza artificiale spediti. Tuttavia, con l’incremento delle architetture 1.6T e 3.2T, si prevede che la penetrazione del mercato CPO salirà al 20%-35% tra il 2028 e il 2030.

Il trampolino di lancio: Near-Packaged Optics (NPO)

Poiché il salto dai tradizionali pluggable al CPO completo è tecnicamente complesso, il settore ha adottato un passaggio intermedio chiamato Near-Packaged Optics (NPO).