COBO与Co-package的光电封装

  在数据中心领域的交换机以及一些高性能计算设备上，其对外高速连接的端口密度非常高。出于结构设计、散热以及可维护性的要求，一般会把光模块的插槽集中放在前面板上，这样电交换或者计算芯片到前面板光模块之间一般会有约20cm～40cm的电走线长度，这些走线的密度非常高，传输的数据速率也很高。

  为了克服传输通道对于高速电信号的损耗，需要采用昂贵的低损耗的PCB板材(如M6/M7等板材)，并且在交换芯片和光模块里都有复杂的针对电信号的预加重、均衡、时钟恢复等电路，这些都增加了系统的成本、功耗和设计难度。

  随着电接口速率的提高，为了减小交换芯片到光模块之间的通道损耗以及系统的功耗、体积，目前采用的主要技术方向有3种：板内同轴走线、板载光模块(COBO)以及光电混合封装(Co-pakage)。

  板内同轴走线是指用低损耗的同轴走线代替PCB实现主机芯片到光模块之间的板内电连接。比如在12.5GHz的频点，如果走线长度为30cm的话，普通FR4板材的插入损耗在20dB左右，好的板材如M6可以做到10dB左右，而双同轴线(Twinax)可以做到3dB左右。板内同轴走线的方法已经在市面上一些400G的交换机设备上开始使用，这种方法对于最终用户的使用和维护习惯没有改变，因此比较容易普及，但其成本比传统PCB高不少，可靠性也稍低一些。

  另一种方式是把光器件直接按装在PCB板内而不是前面板插槽上。其相关的标准化组织主要是COBO(Consortium for On-Board Optics)，该组织于2015年由Microsoft、Cisco、Broadcom、Arista等公司发起成立，并与2018年发布了板上封装光器件的相关硬件规范。在PCB板内直接安装光器件有几个优点：由于光器件更靠近交换芯片，PCB板走线损耗小，因此可以支持更高速率的电信号连接;电芯片不需要特别复杂的预加重和均衡，有CDR电路重新对信号做下整形即可，因此系统整体功耗和成本可以降低;由于电信号在PCB板内转换为光信号，前面板不再需要放置传统意义上的光模块，可以通过带状光纤直接引到前面板，因此前面板的密度可以做得很高。但是，采用COBO的方式也有一定的缺点，除了产业链还不太成熟以外，日常维护的难度也要大一些。比如传统上光模块是可以在前面板直接插拔的，一旦失效可以快速更换，COBO的模块虽然也可以插拔，但是需要把整个板卡取出后进行更换，对于正常业务的影响比较大。下图是典型板上光模块的应用场景。

  除了COBO技术以外，基于硅光技术的光电联合封装(Co-package)技术也是解决未来更大规模光电互联的难题的热点技术。未来随着光模块速率的进一步提升，单路电口的速率会提高到112Gbps甚至224Gbps，光电混合封装(Co-package)即把光引擎(实现光收发功能的模块)直接集成在数字芯片如交换机或计算芯片的基板上，这样可以实现数字芯片到光引擎之间的电走线最短。图11.38是由Facebook和Microsoft公司与2021年发布的一款3.2T容量光引擎的使用场景以及技术规范(参考资料：http://www.copackagedoptics.com/)，可以支持51.2T交换容量交换机芯片的光电混合封装。

  这样，51.2T容量的交换芯片可以和16个这样的光引擎在芯片基板上封装在一起，每个光引擎上提供8个400G的光接口。在其技术规范中，光引擎和交换机芯片间可以采用CEI-112G-XSR的接口，支持在封装基板上最长5cm左右的走线;光引擎直接输出光信号口，可以通过光纤阵列(Fiber Array)转换成MPO接口的光纤对外连接;光引擎的激光源可以内置也可以外置，如果外置的话需要通过保偏光纤(PMF)连接外部光源，如果内置的话需要有备用的光源以提高系统的可靠性。目前，腾讯已经有基于25.6T交换芯片的CPO交换机发布。

  光电联合封装技术在功耗控制和提高系统交换或计算容量方面有很大的吸引力，预计未来3到5年会逐渐在高密度数据交换或高性能计算场合开始应用。但是这个技术的普及还有很多挑战，除了高密度封装的难度、如何进行散热、光引擎本身的可靠性、系统维护方法等技术挑战以外，更重要的是对整个光通信产业链的重构。

  下图比较了传统交换机和未来基于Co-package技术的交换机开发流程的区别。可以看出，传统交换机采用可插拔光模块形式，整个系统是在硬件开发的最后阶段才和光模块组合在一起，设备内部也没有光路连接;而采用了光电联合封装技术后，在数字交换芯片或计算芯片生产阶段就要和光引擎进行集成，最终的系统硬件集成阶段还可能涉及激光源以及板内光纤的组装。由于整个产业链都需要重新分工和定位，Co-package技术的采用可能会是一个循序渐进的过程。预计在未来的很长一段时间，可插拔的光模块仍然会是实现高速光连接的主流技术方式。

  文章来源：微信公众号“测量的知识”