資料中心面對新興技術帶來的海量資料，迫切需要找到變革之道，而隨著電介面資料速度逐漸觸及物理極限，資料中心需要從根本改變交換器設計方式才能突破瓶頸。共同封裝光學元件(CPO)打破過往交換器設計，有望為資料中心帶來光明前景。本文將探討資料中心改革的關鍵因素，並介紹交換器連接技術的演進過程。
從板載光學元件演進到共同封裝光學元件
(承前文)隨著SerDes的速度和密度持續提升，在印刷電路板(PCB)上驅動訊號並維持訊號完整性所需的功率也隨之增加。功率增加的一個重要因素是使用額外的重計時器(Retimer)，以確保接收器能正確地恢復資料。為了降低切換器所需的功率，研究小組和標準制定機構一直在尋求一種可縮短訊號傳輸之電介面距離的方法。
板載光學元件聯盟(COBO)公布了最早的合作，將訊號轉換從前面板轉移到更靠近ASIC的地方。板載光學(OBO)將可插拔收發器的主要功能轉移到交換器PCB上的模組中，以便縮短電氣訊號交叉的電介面通道。這種方法依賴矽光學技術的最新進展，其中光學功能內建於晶粒製造過程中。矽光學技術可實現更輕巧的光學引擎(OE)轉換解決方案，與傳統的可插拔收發器相比，這種解決方案的成本和功耗更低。儘管這些改進有助於縮短電介面通道的長度，但這樣的優勢遠遠不足以抵消偏離業界標準之可插拔架構所帶來的複雜性。基於這點，業界有可能跳過OBO，轉而採用更先進的整合形式。
除了OBO，下述專有名詞也非常值得探討。近封裝光學(NPO)一詞，通常是指沿著交換矽基板邊界，放置在PCB或轉接器上的光學引擎。與OBO相比，此方法可進一步縮短電氣通道路徑，但仍須耗用大量功率來可靠地驅動SerDes訊號。近封裝光學可能是一個不錯的過渡步驟，因為它具有顯著的訊號效益，並可重複使用現有的矽設計，唯一的代價是需要一種新的方法，將光訊號從前面板傳輸到光學引擎。
共同封裝光學元件(CPO)是一種將光學引擎和交換器晶片整合至同一基板的設計方法，並且訊號無須穿過PCB。在封裝元件中，光學和電氣功能的整合程度存在於一個頻譜上，圖5顯示其中一些整合方式。
圖5 2.5D共同封裝光學元件現已問市，業界正積極提高未來整合程度 (資料來源：Sasani, et al, 2021.)
例如，有些解決方案採用2.5D共同封裝策略，亦即將光學引擎與ASIC置於同一基板上，並在兩者之間進行毫米級連接。一些製造商使用2.5D小晶片(Chiplet)整合系統，為晶片提供靈活的介面選項(例如，混合使用共同封裝光學元件和可插拔式收發器)，Broadcom的Tomahawk 5共同封裝光學元件解決方案便是其中一種。整合度更高的共同封裝光學元件設計目前仍處於萌芽階段，包括：
．直接驅動配置，將數位訊號處理從光學引擎轉移到ASIC。
．光學和電氣功能的3D(堆疊)整合。
．將驅動雷射整合至封裝中。
．完全整合的單晶電光子IC。
這對測試策略有何影響？
CPO和NPO等技術雖然可以縮短電氣訊號的傳輸距離，並且提供訊號完整性和功耗方面的優勢，但仍需要符合互通性的要求。也就是說，發射器所送出的光資料訊號必須穿過光通道，在到達另一端時，由可能是其他供應商生產的接收器所接收。這些訊號需要符合IEEE 802.3等規格的要求。這個方法與可插拔光學元件測試有個主要區別，就是將CPO/NPO整合到交換器後，想要修正問題會變得非常困難，而且成本高昂，因為CPO/NPO不像可插拔模組那樣可以輕易更換。測試策略必須與時俱進，不僅要驗證訊號效能以符合規格要求，同時還需要在製造過程的早期階段發現問題、進行額外的測試，才能確保產品的長期可靠性。雖然到CPO/NPO的電氣路徑距離較短，但高符碼率需要仔細設計，需要使用與傳統晶片到模組介面相同的測試和量測方法進行驗證。
下一步該怎麼走？
儘管有很多途徑可實現共同封裝光學元件，但這些新技術面臨的挑戰，使得它們無法被快速採用。在採用新技術及轉移到新標準的過程中，資料中心需要逐步升級或更換其基礎設施，而元件製造商則需要對現有設計進行迭代設計，以便整合各式新技術。
製造商和資料中心面臨的主要挑戰包括：
．開發新的光纖前面板連接方式並進行標準化。
．靈活的晶片設計，使得可插拔、板載、近端封裝和/或共同封裝等光學元件能夠共存。
．元件的維修及更換。
．先進封裝元件的製造與良率。
．資料投資報酬率仍有待確認。
考慮到前述種種障礙，共同封裝光學元件的好處可能就變得不那麼誘人。但不可否認是，持續朝這個方向發展，將帶來無窮的可能性。無論共同封裝光學元件是否將獲得廣泛採用，資料流量即將出現爆炸性成長的預測，迫使業者必須停止使用目前的方法，進而積極推動資料中心互連技術的革命性變革，而這樣的改變勢在必行。
(本文作者任職於是德科技Keysight Technologies)
資料中心掀起光學革命 交換器性能更上一層樓(1)
資料中心掀起光學革命 交換器性能更上一層樓(2)