光电共封芯片的分类

　　光电共封芯片（Co-packaged Optics, CPO）是一种将光电子组件与电子芯片封装在一起的技术，旨在提高数据传输效率和降低功耗。根据不同的封装方式和技术特点，光电共封芯片可以分为以下几类：

　　单片集成：单片集成是将光集成电路（PIC）和电集成电路（EIC）加工在同一块芯片上。这种方式在PIC和EIC之间互连时无需额外的引线或凸点，从而最大限度地减少了由于封装而导致的阻抗不匹配情况。通过将两个芯片组合成一个，封装变得简单。然而，硅光工艺节点相对电芯片工艺而言较为落后，目前最先进的单片集成工艺是45nm和32nm制程，与电芯片10nm及以下工艺相比，性能上存在差距。此外，还存在高波导损耗、低光电二极管响应率和低光电二极管带宽的问题。

　　2D集成：2D集成是将PIC和EIC并排放置在PCB上，通过引线进行互连以及和PCB之间的连接。2D集成的好处是封装相对简单，但其最大的缺点是对引线的依赖。虽然引线可以达到25μm，但PIC和EIC之间的连接仅限于单边，严重限制了I/O数量。

　　3D集成：3D集成封装可以最大限度地减小封装尺寸。在3D集成封装中，最常见的是将EIC倒装在PIC之上，EIC通过铜柱或微凸点与PIC互连，然后再通过引线与PCB进行互连。铜柱或微凸点互连间距范围为40μm~50μm，可以实现密集I/O。然而，3D集成封装最大的问题在于散热。EIC产生的热量会传递到PIC上，每0.5W的功耗都可能引起20℃的温升，这对于热敏感的PIC来说是致命的问题。

　　2.5D集成：2.5D集成封装是一种折中的技术，EIC和PIC均倒装在中介层上。2.5D集成时，其封装尺寸大于3D集成，因为两个芯片之间是平面放置的。同时，因为信号必须通过两次凸点，信号性能会受到一些影响。然而，2.5D集成封装在散热和信号完整性方面具有一定的优势。

　　总的来说，光电共封芯片的分类主要基于其封装方式，包括单片集成、2D集成、3D集成和2.5D集成。每种封装方式都有其独特的优点和缺点，适用于不同的应用场景和技术需求。随着技术的不断进步，光电共封芯片将在数据中心、云计算、人工智能等高性能计算和数据通信领域发挥越来越重要的作用。

　　光电共封芯片的工作原理

　　光电共封装（CPO，Co-packaged Optics）芯片是一种将光模块和电交换芯片集成在同一封装中的技术。这种技术旨在解决传统可插拔光模块在高速数据传输和高算力需求下的局限性，通过缩短芯片和模块之间的走线距离，减少能量转换步骤，从而降低功耗并提高数据传输效率。

　　光电共封装芯片的工作原理可以分为以下几个关键步骤：

　　光信号的发射与接收：在光电共封装芯片中，光模块负责光信号的发射和接收。光模块通常包含激光器、调制器、光探测器等组件。激光器产生光信号，调制器将电信号转换为光信号，光探测器则将接收到的光信号转换为电信号。

　　电信号的处理：电交换芯片负责处理电信号。它通常包含数字信号处理器（DSP）、交换矩阵等组件。DSP用于处理和优化电信号，交换矩阵则用于在不同端口之间路由数据。

　　光模块与电交换芯片的集成：在光电共封装芯片中，光模块和电交换芯片被集成在同一封装内。这种集成方式可以显著缩短光模块和电交换芯片之间的走线距离，从而减少信号传输过程中的损耗和延迟。

　　信号传输与转换：在光电共封装芯片中，光信号和电信号之间的转换是通过光模块和电交换芯片之间的接口实现的。光模块将电信号转换为光信号，通过光纤传输到目标位置，然后再由光模块将光信号转换回电信号，供电交换芯片处理。

　　功耗优化：光电共封装芯片通过减少能量转换步骤和缩短信号传输路径，可以显著降低功耗。传统可插拔光模块在信号传输过程中需要多次进行光电信号转换，这不仅增加了功耗，还引入了额外的延迟。光电共封装芯片通过将光模块和电交换芯片集成在同一封装内，减少了这些不必要的转换步骤，从而实现了功耗的优化。

　　成本效益：光电共封装芯片还可以降低系统的总体成本。由于光模块和电交换芯片集成在同一封装内，可以减少芯片与光模块之间的连接器数量，从而节省了这部分成本。此外，低功耗也意味着更低的冷却和电力成本，进一步降低了系统的总体成本。

　　光电共封装芯片在云计算、5G通信、高性能计算等领域具有广泛的应用前景。随着人工智能和大数据技术的快速发展，对高速数据传输和高算力的需求不断增加，光电共封装芯片作为一种高效、低功耗的解决方案，有望在未来得到广泛应用。

　　光电共封芯片的作用

　　光电共封装（CPO，Co-packaged Optics）技术是一种将光模块和交换芯片封装在一起的新型封装技术。这种技术在现代通信和计算系统中扮演着至关重要的角色，尤其在高带宽、低延迟和低功耗的应用场景中展现出显著的优势。

　　光电共封装技术通过将光模块和交换芯片集成在同一封装内，极大地缩短了信号传输路径。传统可插拔光模块需要通过较长的电缆或光纤连接到交换芯片，这不仅增加了信号传输的延迟，还可能导致信号衰减和干扰。而CPO技术通过将光模块和交换芯片紧密集成，减少了信号传输距离，从而显著降低了延迟和功耗。这对于需要高速数据传输和低延迟的应用，如数据中心、高性能计算和人工智能等领域，具有重要意义。

　　光电共封装技术提高了系统的集成度和可靠性。传统光模块和交换芯片分别封装，需要通过复杂的连接器和电缆进行连接，这不仅增加了系统的复杂性，还可能引入连接故障和信号干扰。而CPO技术通过将光模块和交换芯片集成在同一封装内，简化了系统的连接结构，减少了连接故障的可能性，提高了系统的可靠性和稳定性。此外，集成封装还使得系统更加紧凑，节省了宝贵的物理空间，有利于实现更高密度的设备部署。

　　光电共封装技术有助于降低系统的总体成本。虽然CPO技术的初始研发和制造成本较高，但随着技术的成熟和规模化生产，其成本将逐渐降低。相比传统可插拔光模块，CPO技术通过减少连接器、电缆和其他辅助组件的使用，降低了系统的总体成本。此外，CPO技术还可以通过提高系统的能效和可靠性，减少维护和运营成本，从而在长期运行中实现成本节约。

　　光电共封装技术为未来通信和计算系统的发展提供了新的可能性。随着5G、6G、人工智能和大数据等技术的快速发展，对高速、低延迟和低功耗通信和计算系统的需求日益增长。CPO技术通过集成光模块和交换芯片，提供了一种高效、灵活和可靠的解决方案，有助于推动这些前沿技术的发展和应用。例如，在数据中心内部，CPO技术可以实现高速、低延迟的数据传输，提高数据中心的整体性能和能效；在高性能计算领域，CPO技术可以实现高速、低延迟的计算节点间通信，提高计算系统的整体性能。

　　光电共封装技术在现代通信和计算系统中具有重要作用。它通过缩短信号传输路径、提高系统集成度和可靠性、降低系统总体成本，以及为未来技术发展提供新的可能性，展现了其在高带宽、低延迟和低功耗应用场景中的显著优势。随着技术的不断进步和应用的不断拓展，光电共封装技术必将在未来的通信和计算系统中发挥更加重要的作用。

　　光电共封芯片的特点

　　光电共封装（Co-packaged Optics, CPO）芯片是一种将光电器件与电子芯片集成在同一封装中的新型技术。这种技术在数据中心、高性能计算和人工智能等领域具有广泛的应用前景。以下是光电共封芯片的主要特点：

　　高集成度：光电共封装技术将激光器、调制器、光电探测器等光学元件与电子元件共同封装在一个芯片内。这种高集成度不仅提高了产品的可靠性，还显著降低了系统的复杂度和成本。

　　低功耗：传统可插拔光模块在数据中心内部通信时，由于铜电缆的电阻和信号衰减，会导致较高的功耗。而光电共封装技术通过光纤连接，减少了能量转换的步骤，从而显著降低了功耗。有报道指出，相较于可插拔的光模块，CPO的架构可以直接将功耗下降一半。

　　高速数据传输：光电共封装技术利用光速实现数据中心内部的连接，显著提高了数据传输速度。IBM的研究团队展示了如何将光的速度和容量引入数据中心，从而大幅提高通信带宽，减少GPU的闲置时间，加速AI模型的处理速度。

　　高带宽密度：CPO技术通过每个光通道传输多个波长，有望将芯片间的通信带宽提升至电线连接的80倍。这种高带宽密度使得数据中心内部的数据传输能力得到极大提升，为大规模数据的快速处理提供了有力支持。

　　紧凑封装：光电共封装技术通过缩短交换芯片和光引擎之间的距离，使得电信号在芯片和引擎之间传输得更快。这种紧凑封装不仅节省了空间，还提高了系统的整体性能。

　　成本效益：传统封装技术需要使用多层板、多个BGA等组件，而CPO技术只需要一个光电共封装器件，就可以完成整个系统的封装。这样可以减少封装成本，同时低功耗也意味着低成本。

　　可靠性高：光电共封装模块采用标准封装工艺，并通过了制造所需的所有压力测试，包括高湿度环境、极端温度和机械耐久性测试。这确保了光互连装置即使在弯曲等复杂情况下，也不会出现断裂或数据丢失的问题，为该技术在实际数据中心环境中的可靠应用提供了坚实保障。

　　适应性强：光电共封装技术不仅适用于数据中心，还可以应用于云计算、5G通信、VR/AR等高带宽、低延迟需求的场景。随着AI算力需求的指数级增长，CPO技术将成为解决高算力背景下光模块数量过载问题的关键技术。

　　创新性：光电共封装技术是封装技术的一次重大创新，它打破了传统可插拔光模块的局限，为数据中心内部通信提供了一种全新的解决方案。这种技术的成熟与商业化有望引发光模块竞争格局的变革。

　　总之，光电共封装芯片凭借其高集成度、低功耗、高速数据传输、高带宽密度、紧凑封装、成本效益、可靠性高、适应性强和创新性等特点，正在成为未来集成电路制造的发展方向，将在高性能计算和人工智能应用领域发挥重要作用。

　　光电共封芯片的应用

　　光电共封装（Co-packaged Optics, CPO）技术是一种将光模块与交换芯片（或XPU）ASIC共同封装在同一基板上的创新方案。这种技术的核心在于将光电器件与电子器件集成在一起，以实现更高效、更紧凑的数据传输和处理。CPO技术在数据中心、高性能计算、人工智能等领域具有广泛的应用前景。

　　在数据中心领域，CPO技术的应用尤为显著。随着数据流量的爆炸性增长，数据中心对高速、低功耗的光互连技术需求日益迫切。传统的可插拔光模块由于其物理尺寸和功耗限制，难以满足未来数据中心的需求。CPO技术通过将光模块与交换芯片集成在一起，极大地缩短了芯片与模块之间的走线距离，减少了高速电通道的损耗和阻抗不连续性。这不仅提高了数据传输的速度和效率，还显著降低了功耗。根据SENKO的数据，CPO技术可以显著降低光模块的功耗，从而减少交换机的整体功耗，这对于构建绿色、节能的数据中心具有重要意义。

　　在高性能计算（HPC）领域，CPO技术同样展现出巨大的潜力。高性能计算中心需要处理大量的数据，并要求极高的计算速度和低延迟。CPO技术通过将光电器件与电子器件集成在一起，实现了光学信号和电学信号在同一芯片上的转换和处理，极大地提高了数据传输的速度和效率。此外，CPO技术还能够降低系统的整体功耗，这对于高性能计算中心来说是一个重要的优势。特别是在GPU间的通信场景中，CPO技术能够提供更低的延迟和更高的带宽，从而提升系统的整体性能。

　　在人工智能（AI）领域，CPO技术的应用也日益广泛。人工智能算法需要处理大量的数据，并要求极高的计算速度和低延迟。CPO技术通过将光模块与交换芯片集成在一起，实现了更高效的数据传输和处理，从而提高了人工智能系统的整体性能。此外，CPO技术还能够降低系统的整体功耗，这对于构建高效、节能的人工智能系统具有重要意义。

　　除了上述领域，CPO技术在医疗、能源、通信等领域也有广泛的应用前景。在医疗领域，CPO技术可以用于高灵敏度的医学成像和诊断设备，提高设备的性能和可靠性。在能源领域，CPO技术可以用于高效的光电转换和能源存储设备，提高系统的效率和能量转换能力。在通信领域，CPO技术可以用于高速光模块和光收发器，提升系统的性能和可靠性。

　　光电共封装技术作为一种创新的光电集成技术，具有高集成度、高性能、低功耗等优点，广泛应用于数据中心、高性能计算、人工智能等领域。随着光电子技术的不断发展，相信CPO技术将在未来的应用中发挥越来越重要的作用。

　　光电共封芯片如何选型

　　光电共封（CPO，Co-packaged Optics）芯片是一种将光模块和交换芯片集成在一起的技术，旨在提高数据传输速率、降低功耗和减少尺寸。随着人工智能、大数据和云计算等领域的快速发展，对高速率、高带宽和低功耗网络的需求日益增长，光电共封芯片成为了实现这些目标的重要技术手段。本文将详细介绍光电共封芯片的选型标准，并列举一些具体的型号。

　　一、光电共封芯片的选型标准

　　速率

　　光电共封芯片的速率是选型的重要指标之一。目前市场上常见的速率包括100G、400G、800G等。选择合适的速率需要根据具体的应用场景和需求来确定。例如，数据中心内部的高速数据传输通常需要400G或800G的速率。

　　传输距离

　　不同速率、波长和封装的光电共封芯片支持的传输距离不同。例如，400G QSFP-DD FR4光模块的传输距离为2公里，而400G QSFP-DD DR4光模块的传输距离为500米。选择时需要根据实际的传输距离要求来确定。

　　光纤类型

　　光纤类型分为单模和多模。单模光模块的中心波长一般为1310nm或1550nm，与单模光纤配套使用；多模光模块的中心波长一般为850nm或1300nm，与多模光纤配套使用。选择时需要根据光纤类型来确定。

　　光纤接口

　　常见的模块接口有LC、SC、MPO等。选择时应考虑项目的成本及日后升级扩容的需求。例如，40G QSFP+多模一般是MPO接口，使用MPO跳线，光模块成本较低，但MPO跳线大量铺设使用的成本却较高；40G QSFP+也有LC接口的规格，使用LC跳线，光缆的铺设成本较低。

　　工作温度

　　光电共封芯片的工作温度范围有商业级（0℃-70℃）、拓展级（-20℃-85℃）、工业级（-40℃-85℃）等不同选项。选择时需要根据实际的工作环境来确定。

　　封装形式

　　光电共封芯片的封装形式主要有2.5D和3D两种。2.5D封装将光模块与网络交换在同一个基板上，缩短线距，增加I/O密度；3D封装则直接光学直接连接到中介层上，实现小于50um的I/O间距的互连。选择时需要根据具体的应用需求和成本考虑来确定。

　　二、光电共封芯片的具体型号

　　Marvell 88X7120

　　Marvell 88X7120是一款采用2.5D CPO技术的交换机芯片，支持12.8Tbps的交换速率。该芯片集成了16个光模块和交换芯片Marvell Allynx 7，通过VIA-LAST工艺实现了高效的互连。

　　Broadcom Tomahawk 5

　　Broadcom Tomahawk 5是一款支持800G速率的CPO交换机芯片。该芯片采用了3D封装技术，通过工艺的改进实现了更高的I/O密度，将CPO的功耗做到了5.5W/800G，能效比很高。

　　Intel 800G CPO

　　Intel推出的800G CPO交换机芯片，采用了2.5D CPO技术。该芯片通过硅光芯片和电芯片的共封装，实现了高速率、高带宽和低功耗的数据传输。

　　Ayar Labs Firefly

　　Ayar Labs的Firefly系列CPO芯片，采用了3D封装技术，支持高达100Tbps的交换速率。该芯片通过光学直接连接到中介层上，实现了小于50um的I/O间距的互连。

　　Cisco 800G CPO

　　Cisco推出的800G CPO交换机芯片，采用了2.5D CPO技术。该芯片通过硅光芯片和电芯片的共封装，实现了高速率、高带宽和低功耗的数据传输。

　　三、总结

　　光电共封芯片作为一种先进的封装技术，能够显著提高数据传输速率、降低功耗和减少尺寸，是实现高速率、高带宽和低功耗网络的重要手段。选型时需要综合考虑速率、传输距离、光纤类型、光纤接口、工作温度和封装形式等多个因素。通过选择合适的光电共封芯片，可以满足不同应用场景的需求，推动网络技术的发展。