深刻解读光电合封CPO发展之路 2024光电合封CPO及异质集成前瞻技术展示交流会圆满落幕

 　　大会风采

　　由杭州市会展集团、易贸汽车联合举办的2024光电合封CPO及异质集成前瞻技术展示交流会在业界同仁的鼎力支持下于9月27日在杭州隆重召开，继续携手半导体材料供应商、光芯片厂商、光器件厂商、光模块厂商、交换机、OSAT、系统集成商、散热解决方案商、测试&验证厂商、科研院所、数据中心运营商等上下游产业企业、科研机构、企业和政府部门代表等300余位与会专家，共同深入探讨硅基光电子异质集成技术及CPO的最新进展、应用实例和未来发展方向。

　　核心议题抢先预览 /key Topics

　　◆CPO技术的出发点和目标是否实现?

　　◆业界始终没有下定使用CPO决心的主要原因?

　　◆CPO对产业链的影响如何巨大?

　　◆AI算力集群对CPO有什么需求?

　　◆CPO技术标椎?

　　◆英特尔和思科如何针对CPO发展布局?

　　◆CPO技术发展所面临的挑战?

　　◆光I/O技术如何发展?

　　◆多材料的异质集成工艺如何发展?

　　◆CPO 和OIO技术的区别、应用和瓶颈?

　　◆光子集成技术在AI驱动的分布式算力集群架构中的应用?

　　◆CPO交换机发展机遇和如何落地?

　　◆薄膜铌酸锂光电芯片以及硅基异质集成?

　　围绕上述话题，由来自Lightcounting、中国计算机互连技术联盟（CCITA），无锡芯光互连技术研究院，中科院计算所、华中科技大学集成电路学院和武汉光电国家研究中心、北京大学电子学院、英特尔、中兴通讯、Cisco、北京邮电大学集成电路学院、苏州海光芯创光电、新华三、浙江大学光电科学与工程学院研究院等企业的技术领头人和产品专家为大家分享他们对行业的深刻解读。

　　精彩发言回顾

　　9月27日上午

　　光电合封CPO及异质集成技术专场

　　27号上午大会首先亮相的重磅演讲嘉宾由来自国际知名专业机构Lightcounting，分析师，曹丽女士以《CPO的发展与趋势分析》为主题进行精彩剖析。她首先回顾了CPO提出的目标和发展的情况，CPO提出的初衷主要是降低功耗，目标是超过30%,从这个方面看是达到了目标，并且这几年CPO技术也一直在进步。但是由于客户对可靠性和可维护性等问题的担心，以及可插拔技术路线的进步(单通道达到200Gb/s,LPO低功耗方案的提出)CPO的规模商用进程被往后推迟。但是CPO技术路线也没有放弃进一步努力。以博通为例,它在今年夏天的一次会议上视频演示了它的CPO生产流程，高度自动化生产和测试流程，有望将CPO的可靠性水平提高到符合期望。

　　另外一个机会点是AI带来的，这是该演讲的第二部分内容。曹丽介绍了AI发展的现状，以及从芯片到集群层面互联上存在的瓶颈。整体上来讲，从芯片内部Die to Die 互联，计算到存储单元互联，到XPU-XPU之间的互联上都有很大的改善空间，主要是在带宽密度和功耗效率方面。业界为了解决这些问题进行了创新，光IO是一个新方向。

　　光IO技术和CPO技术有差异但是也有共性，包括它们都使用硅光方案，以及需要高密度的封装技术。可以说Intel在做的OCI和Broadcom发布的芯片上的光IO，这些都是光电共封装的新形式。从这些方面看，这与可插拔模块也并不矛盾，可插拔模块使用硅光方案的比例也越来越高了。

　　最后曹丽分享了Lightcounting的几个相关预测数据，包括对CPO的预测以及硅光的预测等。Lightcounting对CPO/OIO的市场比较有信心，相信客户会逐渐开始尝试使用并促进技术到市场的成熟。

　　数据中心容量快速增长推动光模块速率持续增加，过去12年通信速率的增长需要推动着交换机带宽每两年翻一倍，光模块的带宽以及封装形式也持续保持演进。当前生成式AI的火热推动了大规模数据中心的建设，进而催生了高速光模块的海量需求。

　　随后出场的特邀嘉宾由来自中国计算机互连技术联盟（CCITA）秘书长，无锡芯光互连技术研究院院长，中科院计算所研究员，郝沁汾先生带来题目为《后摩尔时代的芯片级光互连技术与中国CPO技术标准》的精彩发言。

　　其首先表示传统光模块难以满足未来带宽和功耗的增长，光电共封装（CPO）应运而生，它是一种区别于传统基于可插拔光模块的封装技术，它是将光器件、驱动芯片与业务专用集成电路集成在同一封装基板上的光电融合技术。根据Yole预测，CPO预计在2030成为主导技术。随后其对我国原生CPO标准概况展开详细陈述，相较于其他标准组织，我国标准还制定了服务器侧网卡的光学引擎规格(400Gbps)等。

　　其指出CPO场景中未来可能都将采用线性直驱光学引擎方案，线性直驱标准已经完成立项拟制订统一的接口规格，而研究院正在牵头制订《线性直驱光模块互连技术要求》团体标准，标准已于2024年4月正式立项。其表示Switch、服务器都能在LPO中实现低BER互连，当前标准工作组正在与盛科/希烽/立讯/熹联/协同测试LPO模块，仍然需要更多模块厂商的参与。

　　随后其系统展开了对CPO技术发展所面临的挑战的深度剖析，首先其指出连接器生态是CPO大规模商用需要解决的最主要问题，CPO交换机需要克服巨大的散热挑战，仿真表明在5m/s的风速下, 16个CPO 模块 (2 x 800G optic transceiver chip), 交换芯片的温度可以达到 151.76℃。同时光电芯片合封需要解决不同材料间的热应力问题，光电合封过程的复杂性与材料特性导致还存在可靠性风险，例如PIC 多为SOI、III-V材料，硬度较低，脆性较强，合封过程PIC往往需要与多种材料接触，造成极大的可靠性风险。

　　然而适合CPO场景的光芯片组件有待成熟，偏振不敏感端面耦合器、超紧凑低功耗微环调制器、波导型PIN PD、SOI片上Mux/DeMux组件有待Foundry开发成熟PDK。目前大部分硅光芯片设计企业推出的产品仅适用于可插拔光模块，CPO场景对硅光器件的尺寸要求极为严格，然而这些器件流片仅被极少数硅光Foundry掌握，这依赖于新的设计和工艺来克服当前的技术挑战。

　　接着其指出CPO模块尺寸小需要更高集成度的光电子芯片设计，当前商用分立硅光芯片仍然难以满足CPO场景，依赖于Foundry和硅光芯片设计厂商的共同推动。倒装硅光光芯片有待成熟，倒装硅光芯片相较于WB硅光芯片在高集成度、尺寸小、顶部散热等方面具有显著的优势，然而硅光芯片中的TSV工艺仍存在挑战。其强调开发适配可插拔光学连接器的耦合封装工艺势在必行，CPO光学引擎缺乏统一的可插拔光纤连接器，这将对耦合工艺方案的开发提出了新挑战;单个CPO交换机的高通道数对耦合封装良率提出了极高要求。

　　最后其对现有工作做了详细介绍，包括1.6T CPO模块开发情况，其表示1.6T光学引擎，采用线性直驱技术，基于4×400G架构，单通道100Gbps速率，基于COB方案。其表示研究院目前在CPO技术开发上已具备全套技术开发能力。

　　由于光本身并不具备实用化的全光控制和存储能力，目前任何实用化的集成光路必然有电的参与。不管是传统光电系统还是新兴的光电融合芯片，电的参与均是必须的。两者的区别并不在于是否有电的参与，而在于光与电结合的程度和方式。

　　光电合封CPO及异质集成大会第三位特邀演讲嘉宾由来自华中科技大学集成电路学院和武汉光电国家研究中心双聘教授，博导，谭旻先生针对《面向智能计算的多通道光互连研究进展》为主题做了系统阐述。其首先对智算光互连芯片发展趋势进行深入剖析，表示单芯片算力和模型规模带来的算力需求存在失配，两者鸿沟不断扩大。通过硬件进行算力堆叠是主流途径，国际大公司均在开展相关研究。随着互连速率不断提升，但是受限于物理传输极限和封装功耗，电互连难以持续。

　　光学互连，特别是近几年兴起的光I/O技术能够实现更好的带宽功率密度，有望成为数据中心互连的颠覆性方案。其指出除一次性制备成本外，还有功耗成本，长期使用则光I/O方案有望全面超越其他方案，规模能够降低成本，但是长期可靠性是重要挑战，光I/O与IPoser呈兼容关系，需要和OIO结合使用。智算光互连多通道发展趋势是单通信速率有限，多维多通道是未来发展趋势。

　　接着其介绍到多通道微环光I/O技术关键环节包括：系统芯片、建模仿真、参数稳定、模拟前端、高效供电、先进封装、散热管理、量产测试等。随后其介绍到光电融合层级与链路级光电融合，链路级建模仿真必要性，其表示闭环是关键，EDA平台兼容紧凑建模是核心问题，并对光器件紧凑建模7大关键挑战做了详细解析。随后其对多维光参数闭环控制技术展开系统陈述，其表示光参数稳定性根源：制备随机性+动态随机性，最后其针对智算光互连技术未来进行系统展望，强调性能不断提升的光互连有望突破冯诺依曼瓶颈。

　　其总结到多维微环光IO是主流路径，提前布局方能赢在起跑线，而光电融合技术演进路线图规律是：器件(device)->回路(circuit)->系统(systems)，最后其强调光电信息产业，特别是光电融合芯片，是有条件率先实现突破的高技术产业。光电全集成并不是发展光电融合芯片设计的前提条件。通过封装混合集成的形式满足实用化需求，同时通过规模化生产降低成本，形成利润收入后再投入技术升级逐步迈向片内融合，才可能最终形成产业迭代。

　　近些年来硅光异质异构集成技术吸引了广泛的关注。该技术路线以硅作为衬底，结合了不同材料的集成，即发挥了硅大尺寸晶圆的量产优势，又满足了多种功能的需求。目前以Intel为代表的先进硅光产线已经成功实现了硅基三五族异质集成平台的构建，实现了包含激光器与放大器的全集成硅光芯片的量产。

　　接下来发言的特邀嘉宾由来自北京大学博雅青年学者，电子学院研究员，助理教授，博导，常林先生以《异质集成硅光技术》为主题做精彩介绍, 其首先指出硅光技术的最终目标是芯片化、大规模量产所有的光学系统(万亿规模)，根据Yole的预计，硅基光电子将长期保持35%以上的年化增长率，其应用的范围也将从目前数据中心通信占主导，逐发展为高性能计算、自动驾驶、生物医疗等领域多点开花的局面。

　　其表示光子芯片: 完整的光学系统所需的功能一般需要多种材料来实现，因此需要多材料的异质集成工艺，多材料集成是当前硅光技术发展的最大瓶颈之一，随后其对异质集成硅光平台做了详细剖析，其介绍到晶圆级别硅基异质集成平台所有工艺均为晶圆级别，面向未来的大规模量产。而近年来快速发展的各种材料，如超低损耗的氮化硅、具有高效电光调制效应的铌酸锂/钽酸锂、磁性材料等，也纷纷在硅基上实现了集成和晶圆级别加工。得益于这些平台，新型的集成器件也纷纷涌现，如超窄线宽激光器、微腔光频梳、高性能电光调制器等，极大提升了集成光学的性能。多种集成方式结合的硅光工艺包括沉积、晶圆键合、芯片键合等，多材料异质集成平台是多种材料结合，满足不同应用需求.

　　随后其对先进集成光源技术展开系统解说，介绍到多材料芯片化激光器具有高品质因子, 高非线性, 可调谐能力强的优势，其表示集成光学的高Q微腔与激光器的耦合，可以带来了一系列的优势，包括：压窄线宽，降低噪声、 高非线性、调谐能力、隔离器(基于非线性)，氮化硅与磷化铟集成的激光器突破了传统激光器的噪声局限性，实现了亚Hz线宽的的片上光源。

　　氮化硅与磷化铟的集成实现了光频梳的芯片化和晶圆级别的生产工艺，有望极大拓展光子芯片的应用。铌酸锂与磷化铟集成的激光器突破了传统激光器的调谐限制，实现了调谐速度超过100MHz的FMCW激光器。磷化铟与氮化硅的集成，实现了基于非线性效应的集成隔离器，在片上激光器的功率下，隔离度达到了14dB以上。

　　在应用领域异质集成硅光技术将赋予集成光路高性能光源、高性能调制器、高效率非线性器件、低损耗波导等一系列能力，进而实现高度复杂的片上光学系统。同时异质集成硅光技术为精密测量系统的大规模量产和普及提供了可能！最后其对异质集成硅光平台解锁光子芯片新应用做了系统介绍。其表示新一代的硅基光电子技术，也必将覆盖更为广阔的应用，我们可以将更多体积庞大、价格昂贵的光学系统，如光学原子钟、大规模光量子计算机等，从实验室的专属设备推进到消费级的小型化产品，从而在后摩尔时代，成为芯片产业发展的关键力量。

　　行家焦点访谈

　　接下来进入本次大会最具看点之一的行家焦点访谈，由华中科技大学集成电路学院和武汉光电国家研究中心双聘教授、博士生导师，谭旻，中国计算机互连技术联盟（CCITA），秘书长，无锡芯光互连技术研究院院长，中科院计算所研究员，郝沁汾、某激光雷达企业，技术专家，王雷、新华三技术有限公司，光模块硬件开发工程师，阮祖亮、中兴通讯股份有限公司，CPO技术预研总工汤宁峰、苏州海光芯创光电科技股份有限公司，首席科学家，陈晓刚共同参与，围绕多个话题展开了热烈讨论。

　　讨论话题围绕光电I/O技术等热点话题多角度进行了深入的探讨，深入行业痛点的精彩对话为现场嘉宾带来了深刻的启迪。

　　圆桌访谈详细干货内容由智车行家整理后续将陆续发布，敬请期待!

　　9月27日下午

　　光电合封CPO及异质集成技术专场

　　服务器之间的数据传输正在不断增加，当今的数据中心基础设施难堪重负。目前的解决方案正在迅速接近电气I/O性能的实际极限。然而，借助英特尔的这项突破性进展，客户能够将硅光共封互连方案无缝集成到下一代计算系统中。英特尔的OCI芯粒大大提高了带宽、降低了功耗并延长了传输距离，有助于加速机器学习工作负载，进而推动高性能AI基础设施创新。

　　27号下午光电合封CPO及异质集成大会首位出场的重磅演讲嘉宾由来自英特尔，集成光学产品总监，Marcus Yang先生针对《Introduction of Silicon Photonics and Emerging Applications in Al Infrastructure and more》为主题方向做精彩解读，其首先系统介绍了硅光子学技术发展背景，其表示未来的计算平台需要面向AI实现扩展，因而需要指数级提升的I/O带宽和更长的传输距离，以支持更大规模的处理器(CPU、GPU和IPU)集群，和资源利用更高效的架构， 硅光子学(SiPh)是一种通过使用硅作为产生、操纵和检测光的介质来结合光学和电子学领域的技术。20世纪最重要的两项发明的结合——硅集成电路和半导体激光器 ，成本更低，集成度更高，其优点是使用成熟的CMOS工艺的光子学，能够引导，调制和检测光。

　　英特尔在领先的CMOS晶圆厂的300毫米硅晶圆上开发，其硅光子技术是一个成熟的平台，技术上采用激光器和SOA集成——在成本、功耗、噪音和可靠性方面优于外部方法，采用先进封装，在标准SMF上工作(不需要PMF)，SiPh利用两大技术，CMOS硅lC和半导体激光器。 其表示英特尔片上激光器的好处，低耦合损耗。目前各个通道波长激光器出光功率在80C可以达到25mW，激光器波长偏差小于15GHZ，同时片上集成的SOA可以达到>14dB增益。最大挑战是可靠性，目前可以达到0.1FIT@30K激光器数量，优于数据中心标准规定的1FIT。英特尔针对100G/200G/400G/800G的硅光平台已经出货>8M pcs

　　针对硅光1.6T光模块，采用8*200G DR8或200G 2xFR4 CWDM方案，全集成有源无源器件，包括激光器、调制器、探测器、波分复用器、模式匹配边缘耦合。预计2024年底送样。该结果已经在OFC2024上进行展出212G/lane Tx PIC demo，调制器带宽达到42GHz，ER达到4.3dB，TDECQ=1.75dB。其特地提了一下光接口方案，区别于传统的光纤直接对接方案，其采用玻璃桥方案，能够实现可插拔光接口，具有高密度，高可扩展，高可靠性，高良率特点。

　　英特尔凭借独特而成熟的平台成为SiPh的先锋。具有片内激光器、SOA和丰富的lP产品组合。英特尔SiPh实现了行业最高的产量、领先的质量和可靠性。SiPh作为新兴应用中的关键角色 ，对于人工智能基础设施至关重要:例如，HPC需要新的光纤输入/输出解决方案 集成光子学可以提供:光子ic内的异构集成、与电子IC的更大集成以及与主机的更紧密集成， 新的应用可以推动销量上升和成本下降，从而加速良性循环 。

　　英特尔为战略客户提供其独特的SiPh平台，以开发定制光电芯片。通过PlC与EIC的异构集成，提供OCl/CPO解决方案，实现与主机的更紧密连接。此外英特尔还展示同类最佳的FMCW激光雷达。这些新的应用场景可以提高容量，降低成本，加速良性循环。英特尔提供可插拔收发器组件和OCI/CPO解决方案， 英特尔独特的SiPh平台现已面向战略客户开放，共同开发customPhotonicslC和ElC。

　　对CPO来说，从MS和FB提出来这个概念后，就是解决数据中心可插拔光模块的功耗问题，就是说，它是pk可插拔光模块的。CPO需要遵循可插拔光模块的一系列标准，DR、FR、SR等等。在电链路层面，由于芯片的扇出pin是受限的，switch的serdes一直按照28、56、112、224的速率向上走的。CPO在51.2T阶段是112G/lane@pam4，102.4T阶段则是224G/lane@pam4。容量是通过增加serdes的速率达成的。

　　OIO则没有上述的这些历史包袱，它需要关注的是switch内部的数据的速率，目前是16G、32G等。就是说OIO可以直接同步switch内部的并行数据的总线。总的带宽可以通过光的不同波长来实现，OIO在一定范围内的带宽的扩展是没有能量代价的，这是一个非常难得的优势。

　　随后由大会特邀出席的演讲嘉宾来自中兴通讯股份有限公司，CPO技术预研总工，汤宁峰先生以《CPO 和OIO的应用和挑战》为主题做系统阐述。其首先系统分析了CPO 和OIO技术的发展趋势，2019年3月，微软和Facebook领导发起的Co-Packaged Optics Collaboration，是从封装的角度定义未来的光模块;而于2015年由Ayarlabs发布第一款光学I/O通信的CPU芯片，则正式开启了从互连方式的角度定义的光模块的时代。两种方式均是为了进一步优化功耗、成本、延时等特性，应用场景却不尽相同，但作为片间互联，OIO比CPO的市场空间更大。

　　展望未来的应用场景，102.4T 交换将是CPO光互联的节点，但CPO面临的困境依然存在，包括生态链（供应商与客户）、高密度集成的技术和规模的测试等等，还待业界共同努力，但针对业界提到的可靠性问题， CPO交换机具备绝对的优势(CPO交换机的可靠性提升了35倍)。而OIO当前已经有越来越多的企业开始布局，包括Nvidia, Ayar， Broadcom，Microsoft，Intel,GF,TSMC等，但依然面临着PCIe光口、UCIe光口以及光源的标准制定，以及新兴技术，如空芯光纤、量子点光源等的进一步开发和成熟。

　　硅基光电子与微电子技术的融合，使得光路与电路的芯片级大规模集成成为可能。基于光电协同设计的光电融合集成芯片不仅是光-电转换和高速收发的关键，还可构建光电闭环，实现关键光学参数调控，应用场景除了满足当前高速光通信的互连需求外可进一步扩展至超级计算、微波光子、光学智能运算、量子信息处理等相关应用。本报告聚焦于新型器件高带宽、高密度集成需求下的专用电路和光电集成芯片，围绕光电融合、协同设计方法进行研讨并简单介绍相关工作进展。

　　27号下午光电合封CPO及异质集成大会第三位出场的演讲嘉宾由来自北京邮电大学集成电路学院，特聘研究员，石泾波先生以《面向新型互连应用的光电融合集成芯片及系统》为主题做精彩解说。

　　其首先介绍了“光进铜退”背景，随着信息技术的飞速发展，传统的铜缆布线系统在性能和成本上逐渐暴露出诸多不足，金属走线(信道)的高频衰减非常严重，为补偿信道损耗需付出的功耗指数型增长，高频损耗大部分转化为热量，高密度集成更加严重，为应对这一挑战，革命性解决方案——“光进铜退”技术应运而生，该技术显著降低了布线成本。

　　随后其介绍了光互连传输技术在多个领域有广泛的应用场景，主要包括以下几个方面：数据中心内部互连、人工智能和大数据应用等，光互联作为一种新的互联方式，具有极高的通信带宽，极小的功耗，能够很好地解决电互联发展受限的问题。可以用在超大规模数据中心、AI/ML &高性能计算、自动驾驶等领域，其提到电学互连逼近传输的瓶颈，传输速率~2x/3~4年，后摩尔时代微电子工艺演进放缓，超速率下损耗飞速增加，带来额外成本及散热开销，互连接口己经成为当前限制系统性能的主要瓶颈，随后其谈到互连网络面临的挑战：当前系统性能提升的主要瓶颈在于致据传输，传输速率、传输容量、信号处理 、互连功耗都互相影响。

　　而硅基光电子技术基于硅基光电子技术可以实现晶圆级的大规模光电集成、更高的带宽密度、更低功耗更优的成本控制，随着通信及计算对数据传输容量及速率提出了更高的需求，AI等应用的算力网络对互连速度需求更加迫切。当前算力网络的互连带宽远远滞后于计算能力的提升，成为系统主要瓶颈。片上/片间光互连的优势(潜力)逐步体现，光电互连在能效、延时、带宽上的优势逐步显现。随后其强调计算光互连:发展潜力巨大，目前研究进展:800G光电融合集成发射机(光引擎)，面向光电共封装(CPO)集成的高密度发射机光引擎，光引擎内集成一颗16通道PIC(MZHHPD)及两颗8通道CMOS EIC。

　　最后其总结到光电融合是光与电的专用芯片的集成，两者缺一不可。不是传统光通信电路向新的应用系统的移植;而是基于新器件、新架构的定制型光电融合。光电融合不但是光芯片与电芯片设计上的融合，随着集成技术的进一步发展其可延伸到更深层次（工艺线）混合集成是光电融合实用化的必经之路，而光电单片集成是其未来发展方向。

　　数据中心光互联市场需求及AI发展带来的新机遇， AI大模型带来的算力增长在过去7年里保持每年10倍的增速;基于硅光芯片的800G及以上速率的光模块将是未来光模块的主流技术路径;目前尚未有量产的全国产(设计、制造、封装等核心过程等完全在中国境内完成)硅光芯片;光子芯片无需特别先进的半导体制备工艺，国内外技术差距相对接近，技术应用的前景极为广阔，国内市场容量大，是中国半导体工业弯道超车的理想领域。

　　接下来亮相的重磅嘉宾由来自苏州海光芯创光电科技股份有限公司，首席科学家，陈晓刚先生以《光子集成技术在AI驱动的分布式算力集群架构中的应用》为主题做系统剖析。其首先针对光子集成技术发展趋势做系统剖析，其表示光子集成与微电子集成都是通过先进的半导体芯片加工工艺将微小尺度的物理器件集成在芯片上形成功能强大的系统。集成系统中器件的物理尺寸缩小与芯片功能的增强都基本遵循指数增长的摩尔定律(或类摩尔定律)。摩尔定律不是客观的自然规律，而是科技、商业和资本相互协同，紧密合作的成果。

　　对比AI算力增长和芯片间的光互联带宽提升，其表示电芯片间的通讯带宽是制约AI时代算力持续增长的最关键的瓶颈，其详细介绍了光电共存的互联技术的现状，表示CPO技术不仅继承了传统硅光互连技术的所有优势，还通过优化封装结构和工艺，解决了传统技术路线面临的关键挑战，被视为下一代硅光互连技术的重要发展方向。其表示AI时代计算机体系架构的演进：超高带宽、超低延时的芯片间的高速通讯技术是确保AI时代算力持续增长的核心，针对AI驱动的分布式计算机体系架构其表示以XPU资源池+超高速通讯网络为主体的分布式架构是支持未来AI和超算发展最自然也是最优的选择。

　　未来的连接主板将是光电一体化的，电学部分由PCB为所有光电芯片提供电源和时钟信号，高速信息的纵向互联(3D堆叠的芯片间互联，scale up，<1 inch)仍使用电学高速并行连接，而所有横向互联(从片间到板外互联， scale out， >1 inch)全部通过硅光主板实现超高带宽(> 5Tbps)、超低延迟(<1ns)和超低功耗(<200fJ/bit)的光学互联。其强调光电混合集成主板是中国可以绕过目前和可以预见的未来国外半导体最先进制程技术封锁的一项关键技术。

　　对于非接触式三维光子集成，其对3D光学耦合的方案做了系统简介，其表示异质集成技术的发展已经可以涵盖更多的光谱范围拓宽了其应用领域。CPO的最大优势在于降低每比特信息的传输能耗，UCSB和Intel的方案是目前唯一在工业化量产中使用的光源与硅光芯片异质集成的方案，最后其对新型3D光子芯片集成方案优势做了系统解说。

　　当前AI应用蓬勃发展,大模型应用催生超大规模算力需求,网络作为关作为数据交互的基础支撑,将加速向高带宽、低功耗、低时延方向演进。着眼底层技术,高速传输与低功耗之间的平衡是永恒的难题,基于能效和成本的考量,CPO站上风口,或将成为AI高算力需求下降低能耗、成本的必由之路。由于数据中心内部流量极大,通常采用无阻塞网络架构,该架构高度依赖单端口速率,800G CPO硅光数据中心交换机的问世,带来的价值远不止单端口的提速,还将对无阻塞网络架构的整体能力产生指数级的放大效果。

　　大会特邀来自新华三技术有限公司，光模块硬件开发工程师, 阮祖亮先生以《CPO交换机的机会与落地》为主题做系统阐述。其首先针对硅光集成与CPO市场进行系统的回顾与展望，其首先指出硅光芯片集成逐渐成为主流，适合于高密度高集成度模块开发;随着数据中心市场增长最高，可插拔模块依然是主流解决方案，CPO和OIO未来可期;可插拔(LPO)、OBO(NPO)和CPO会在一段时间内共存互补;OBO以及CPO在1.6T及以上速率开始发力，224G时代之后更多模块向硅光集成演进。

　　随后其针对CPO前沿技术做了系统阐述，包括采用外置光源;增加WDM密度，减少光纤布局压力;微环调制器在性能和集成度上有更高优势;不可更换，可靠性有待长期数据验证等凸出优势，同时针对CPO交换机光电链路做了详细说明，其表示LPO、CPO/NPO都是提升系统端到端能效的方式，但应用场景和发展路径不同，CPO架构中的线性驱动：综合考虑光、电芯片的热应力和散热选择TSV封装构型，谈到224G时代的机会，其表示电接口步入112G→224G 时代CPO在链路裕量、功耗、成本、端口一致性方面存在独特优势;CPO硅光交换机已步入交付阶段;NPO到更广义的CPO应用，对于NPO的机会，其提到了OIF提出的3.2Tb/s Co-Packaged可用于NPO方案;其呼吁现有产业链能够提供完整的解决方案，但需要更进一步协同合作;光引擎的FAU连接标准化迫在眉睫。

　　其重点阐述了CPO如何落地应用，包括散热、测试和生产、管理运维、光纤及法兰设计、可靠性等。新华三集团联合扇港(SENKO)以及光迅科技(Accelink)共同研发的高密度直通型PELS;通过Pass-through技术，使采用高密度直通型PELS外置光源的CPO交换机使用体验更接近传统交换机;光电混合盲插接口使用高密度SNMT-24插芯，最高可支持8路保偏光源通道+ 32对数据通道以MT-12形态对称排列,可使51.2T CPO交换机最低降至1U高度。

　　800G CPO硅光数据中心交换机的问世,带来的价值远不止单端口的提速,还将对无阻塞网络架构的整体能力产生指数级的放大效果。产品支持64个800G端口设计,单芯片带宽达51.2T,可支撑单个AIGC集群规模突破3.2万台节点,是采用400G交换机时代的8倍。在完全满足中大规模AIGC集群无阻塞传输需求的基础上,进一步降低能耗和成本、提升稳定性和可靠性、简化网络管理,从而最大程度保障AIGC集群的运算效能。单集群TCO降低30%。

　　硅光技术以其 CMOS 兼容、高集成度等突出优点而成为备受铌酸锂(LN)具备极低的光吸收损耗以及高效的线性电光效应优异，被认为是大容量信号传输的竞争材料。为打破硅基调制器的性能限制，利用硅和铌酸锂的晶圆级键合技术实现两种材料的异质集成，为进一步提升硅上电光调制器性能提供了一个很好的解决方案，高速、高线性度铌酸锂薄膜电光调制器在未来ChatGPT AI芯片、数据中心、光通信芯片中有重要应用。

　　27号下午大会随后出场的特邀演讲嘉宾由来自浙江大学光电科学与工程学院研究院，副教授，刘柳先生针对《薄膜铌酸锂光电芯片以及硅基异质集成》为主题做详细阐述，其首先指出全球AI高速光模块市场在2023-2026年将持续处于高增长阶段，光模块在 2024 年第二季度的总销售额创下了略高于 30 亿美元的新纪录。其介绍到铌酸锂(简称LN) 是一种铁电材料，擅长电场、光场和声场之间的相互作用。LN具有良好的线性电光系数和从可见光到中红外的低光损耗。它已经成功地应用于例如高速光调制器、非线性光学和声学器件。在20-30年前。人们正在使用这种类型的扩散或离子交换技术来局部增加表面LN的折射率。这种技术只能改变一点点指数。因此只能制造低折射率对比度的波导。由于弱约束波导，在这种情况下，光与物质的相互作用很弱。

　　接着其介绍到近期开发了一种新技术，可以在低折射率氧化硅层上制备厚度< 1um的高质量单晶LN薄膜。可以蚀刻LN以形成通道波导，或者在LN层上放置一些其他高折射率材料以形成肋加载波导。然后创建一个高指数对比结构。在这种情况下可以构建一个亚微米大小的波导，弯曲半径很小。最重要的是，光是高度受限的，模式体积小得多，就可以有很强的光物质相互作用。在过去的几年中，许多研究工作都放在这个TFLN平台上。展示了许多高性能组件和创新应用。

　　其表示在这种Si/ln混合调制器中进一步采用了悬浮T形轨电极。为了进一步证明Si/LN混合集成的可行性，其首次在该混合平台上构建了一个dp-iq调制器。这种实际上高度集成的光子芯片包括500欧姆的片上调制器终端和用于热调谐的加热器。其表示实现了96GBaud DP-16QAM信号传输。其还在SiN平台上采用了这种混合集成概念，并在SiN光子芯片成品上集成了tFLN调制器结构。其成功实现了每个连接0.5dB的模式转换损耗，以及总插入损耗为1dB、Vp为4.3V、带宽为37GHz的混合调制器。这也是在SiN电路上集成LN的最佳调制器。最后其总结到Si/LN异质集成可在硅光子学上实现高性能调制器;技术挑战包括晶圆到晶圆、芯片到晶圆;与其他设备(如PDs)的过程兼容性;铸造服务等。

　　思科与其他几家行业合作伙伴一起，推动了 ELSFP(外置激光小型可插拔)模块标准多源协议 (MSA) 的开发，目的是提高 CPO 的成本效率、制造可扩展性和光功率源的标准化。这些 ELSFP 模块允许激光器采用被动冷却方式，运行效率更高、更可靠，并可在现场更换。

　　27号下午大会最后一位特邀的重磅演讲嘉宾由来自Cisco,Solutions Engineer,Marwa Othman Elzaatari女士针对“Cisco's CPO”为主题详细阐述了CPO技术的发展方向。其首先表示随着网络流量因更高的带宽应用程序(如AI/ML(人工智能/机器学习)、高分辨率视频流和虚拟现实)而持续增长，数据中心网络的压力继续增加。这些对更多带宽的贪得无厌的需求导致了更高的速度和更高的密度光学和ASIC。

　　随着带宽密度的增加，每一代产品的功耗要求也显着提高。为了应对这些挑战，业界正在进行各种努力，以优化整个交换机系统的互连和串行器-解串器(Serdes)功耗。其中包括高能效串行器设计、使用低损耗印刷电路板(PCB)材料、低损耗飞越电缆作为互连器件以及采用性可插拔光学器件。光电共封装器件（CPO）是特别有前途的方法，通过使光学收发器更接近 ASIC 芯片来优化功耗，从而无需使用耗电的复位时器和光学信号处理。

　　通过CPO，网络交换机系统中的光接口从交换机外壳前端的可插拔模块转移到与交换机芯片组装在同一封装中的光模块。思科在CPO领域的优势之一是开发、优化和运输数百万个基于硅光子的光学模块的经验。随后其详细介绍了CPO的三大支柱，例如通过将光学器件移至离交换机ASic芯片足够近的位置，去除一级SPs以节省功耗。为此，许多以前独立的lc(TlA、驱动器、调制器、mux/demux)必须合并到一个LC上，思科的硅光子技术可以实现这一点。

　　其表示思科在OFC 2023上的CPO演示强调了思科技术开发的一些关键优势。例如适用于400G FR4的集成硅光子学Mux/Demux;共同包装光学的挑战之一是要求将光学组件小型化，以适应ASIC封装(体积比传统的QSFP-DD或OSFP模块低100多倍)。这需要光学和包装创新。任何CPO架构都必须提供灵活性来支持所有数据中心光学类型，包括使用并行单模光纤的光纤，例如4x100G DR4和CWDM(粗波分复用)，例如400G FR4，可以在同一根光纤上使用4种不同波长的光，每种光波长为100Gbps。这意味着需要将4种不同的波长组合在一起。这通常使用外部镜头完成，外部镜头占用了大量体积。

　　思科发明了一种在Silicon Photonics IC上进行这种mux/demux的创新方法。在开关ASIC封装上集成光学瓷砖需要创新封装机械设计(以确保机械可靠性)、功率输送(在小区域内向开关ASIC和光学瓷砖输送电流)和热冷却(以消除更高的功率密度)。

　　其指出思科的演示有完整的光学瓷砖，可以充分发挥其功能。增强的热设计，允许传统的空气冷却;将光学与开关ASIC集成的另一个挑战是，当系统总功率降低时，系统中心的热密度会增加，因为光学从前面板移动到ASIC封装。其他供应商使用液体冷却来管理这种更高的热密度。思科与主要合作伙伴合作开发了先进的散热器技术，允许继续使用传统、可靠的空气冷却，而不是迫使客户在想要之前改变基础设施以支持液体冷却。

　　其表示思科打造差异化布局，预计在51.2Tb交换机周期内进行试验性部署，然后在101.2Tb交换机周期内大规模采用。拥有系统、ASICs和光学方面的专业知识，这使其成为少数几家能够成功实施和部署大规模组合封装光学器件的公司之一。思科认为，任何颠覆性技术只有在正确的生态系统到位时才能成功。该行业在标准化工作方面有着悠久的历史，例如定义了可插拔光模块标准的OIF、IEEE和MSAs。在OFC 2024上，Ribbon和Cisco展示了他们的1.2T系统是可互操作的。

　　精彩的发言给整场大会画上圆满的句号。

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