Broadcom光电共封装技术解析

以下文章来源于逍遥设计自动化，作者逍遥科技

光电共封装技术基础原理

光电共封装（Co-Packaged Optics，CPO）代表了光互连技术的新发展方向，这种技术将光学器件直接集成到电子线路的同一封装内。传统光模块依赖于通过各种接口连接的独立组件，而CPO技术通过直接集成实现了在成本、功耗、可靠性和延迟方面的显著改进。

要理解CPO技术的重要性，需要首先认识现代数据中心面临的根本挑战。随着人工智能工作负载和高性能计算应用对带宽需求的不断增长，传统铜互连达到了物理极限。从铜互连向光互连的转变势在必行，但关键问题在于：这种转变在经济和技术层面何时才具备合理性？

技术演进与功效优势

向光互连的演进遵循由功效要求驱动的规律。Broadcom的分析显示，不同光学技术实现了不同级别的功耗水平，以每比特皮焦耳为计量单位。基于数字信号处理（DSP）的收发器目前消耗约15皮焦耳每比特，线性可插拔光学器件（LPO）将此降低到约10皮焦耳每比特。然而，CPO技术实现了6皮焦耳每比特的卓越表现，相比DSP收发器节省了2.5倍功耗。

图1：显示光互连在扩展应用中何时变得可行的时间轴图表，按功耗和部署年份绘制各种技术

这种功效改进源于CPO的架构优势。传统可插拔光学器件需要在电信号和光信号之间进行多次转换，每次转换都会引入功耗损失和延迟。CPO通过将光学器件直接放置在电子处理单元旁边，消除了许多转换步骤，创造了更短的信号路径并降低了功耗。

图2：DSP可插拔（15 pJ/bit）、LPO可插拔（10 pJ/bit）和CPO（6 pJ/bit）技术的功耗详细对比，显示架构差异

Broadcom TH5-Bailly实现方案

Broadcom的第二代CPO系统TH5-Bailly展示了CPO技术在大规模应用中的实际实现。该系统作为51.2太比特以太网交换机运行，具备全光CPO连接能力，使用八个6.4太比特光引擎。每个光引擎包含64个通道，以FR4配置在100吉比特每秒速度下运行，构成了完整的光互连解决方案。

图3：TH5-Bailly第二代CPO系统的物理实现，显示集成光引擎和交换机架构

这种实现的技术复杂性在检查光引擎构造时变得明显。每个光引擎代表一个与CMOS电子集成线路（EIC）结合的光电子集成芯片（PIC），包含约1000个光学器件。这种集成水平需要精确的制造和封装技术，推动了当前半导体技术的边界。

性能验证与可靠性测试

来自TH5-Bailly系统的实际性能数据证明了CPO技术的成熟度和可靠性。系统实现了令人印象深刻的功效表现，在35摄氏度环境温度下每800吉比特端口仅消耗5.5瓦特，在15摄氏度下消耗5.2瓦特。这些测量结果验证了理论功耗优势，同时证明了技术的实用可行性。

图4：51.2 Tbps TH5-Bailly CPO系统的综合性能测量，包括TDECQ传输性能、BER接收性能和数据流量性能

可靠性测试通过广泛的资格认证程序揭示了CPO技术的坚固特性。系统经历了从负40到85摄氏度的热循环、12G加速度的机械冲击和振动测试、在85摄氏度和85%相对湿度下1000小时的无偏湿热暴露，以及粉尘暴露测试。值得注意的是，所有单元都通过了这些严格测试，插入损耗变化小于1分贝，展现了卓越的可靠性。

图5：综合CPO资格认证测试结果，包括热循环、机械冲击、湿度暴露和粉尘测试，所有单元的插入损耗变化均小于1dB

长期稳定性与运行表现

CPO技术最令人印象深刻的方面在于其长期稳定性特征。高温工作寿命（HTOL）测试涵盖了51个系统超过86556小时的总应力测试，相当于超过550万800吉比特端口小时的运行。这一广泛的测试计划为技术在生产部署中的长期可靠性提供了信心。

图6：CPO HTOL总应力测试摘要，显示机架单元和中间卡系统86556小时，相当于超过550万800G端口小时

稳定性数据显示了光学性能在长时间内的显著一致性。发射和接收功率测量在1200小时连续运行中显示出小于1分贝的变化，而前向纠错（FEC）尾部分析证明了在整个测试期间没有链路故障。

图7：长期稳定性测量，显示在1200小时运行中发射和接收功率的变化均小于1dB

图8：FEC尾部稳定性分析，证明在1200小时连续运行中没有链路故障，直方图显示错误分布

未来应用与扩展能力

CPO技术支持超越传统交换机应用的新架构可能性。该技术可以支持XPU（加速器处理单元）光学连接，为交换机和计算节点连接创建通用集成平台。这种能力为更高效的AI和高性能计算集群设计开辟了路径。

图9：CPO技术实现XPU光学连接的演示，显示交换机CPO和计算节点CPO实现

CPO技术的最终愿景包括支持512个GPU全对全连接的单级扩展Fabric。这种架构使用64个高基数交换机，每个GPU通过CPO光学器件连接到所有交换机。这样的配置能够实现超大规模扩展域，光链路在单层中跨越5到30米，改变了大规模AI训练集群的构建方式。

图10：使用CPO技术支持512 GPU全对全连接的单级扩展Fabric架构，显示物理和逻辑图实现

CPO技术不仅仅是光互连的渐进式改进，而是从根本上改变了高带宽连接的经济性和能力，使过去无法实现的新架构方法成为现实。随着数据中心继续向更高带宽要求演进，CPO为下一代计算基础设施提供了基础，能够在超大规模下高效支持人工智能、机器学习和高性能计算工作负载。