降低光模組功耗看 LPO & CPO

 光模組可按照速率, 距離, 封裝方式等多種類型進行分類. 從封裝來看, 光模組有多種封裝形式, 適配不同尺寸, 功耗和速率需求. 目前光模組的封裝以可插拔形式為主, 具備小尺寸, 低功耗的優勢, 部分長距高速相干領域追求高性能, 仍採用不可插拔形式.

數據中心帶寬提升, 帶動高性能交換晶片和高速率光模組的應用. 高性能交換晶片和光模組的使用導致網絡設備功耗大幅增加. 光模組速率的提升帶來功耗大幅增加. 400G 早期功耗為 10-12w, 預計長期功耗為 8-10w, 800G 功耗約為 16w.

AI 算力的發展導致高性能交換晶片, 高速率 SerDes 及光模組的滲透率加速提升, 帶來數據中心網絡設備的功耗大幅提升. 在光模組降本降耗的發展趨勢下, 行業圍繞驅動器, 調制器, 雷射器以及電接口四個方面去降低功耗.

LPO 是基於 linear Driver 晶片技術實現的可插拔光模組, 是對含有 DSP 設計的高速熱插拔乙太網模組的優化和改進. LPO通過使用性能提升的 TIA, Driver 晶片, 實現更好的線性度, 剔除高速率可插拔模組攜帶的 DSP, 帶來模塊功耗下降, 但是在系統誤碼率和傳輸距離方面有所犧牲.

信號在交換器主晶片和光模組之間的傳輸會產生損耗, 高頻損耗大於低頻損耗. 降低損耗的影響, DSP 憑借數位算法能將補償效果做到最優. LPO "降耗" 的思路是將信號非線性的修復功能交給交換器系統側來實現, 光模組自身僅保留 CTLE  (連續時間線性等化).

LPO 技術路線的主要壁壘在於電晶片, 應用場景局限於短距離連接場景. 隨著 800G 高速率光模組需求的增長, LPO 憑借在功耗以及成本方面的優勢有望取得市場需求的增益. 目前中國的布局 LPO 的廠商主要為劍橋科技和新易盛, 海外主要廠商為 Macom, Semtech, Maxim 及 Broadcom.

CPO 的出現主要是為了解決高頻電鏈接距離的問題. 數據中心帶寬的增長導致 SerDes  速率不斷提升, 功耗隨之增加. 為了保障信號的高質量傳輸, 優化 SerDes 功耗, 信號傳輸距離將會相應縮短, 即交換晶片和光模組之間的封裝距離需要進一步縮短.

CPO可分為 3 種技術形態: 基於 2D 封裝的 CPO 技術是將 PIC 和 IC 並排放置在基板或 PCB 上, 通過引線或基板布線實現互連. 2.5D 封裝是將 EIC 和 PIC 均倒裝在中介層上, 再與下方的封裝基板或 PCB 板相連. 3D 封裝技術通過將光電晶片進行垂直互連.

CPO 目前處於產業化初期, 在工藝, 仿真以及測試等方面面臨很多技術挑戰. 封裝工藝能力是制約 CPO 發展的重要因素, 涉及 TSV, TGV 等多種先進複雜的封裝技術, 每一種技術都皆有利弊, 需要在研發制造過程中不斷探尋最可靠的方案. 

主流的熱可插拔模組在維護時非常方便, 但作為不可插拔的 CPO 封裝技術在維護時難度較高, 因此測試, 良率以及可靠性問題成為 CPO 產業化的關鍵. Intel, Broadcom, Marvell 行業內龍頭企業均已推出多款基於 CPO 的量產產品, 其他企業也在積極地布局相關產品, 並推進 CPO 技術標準化.

LightCounting 表示, AI 對網絡速率的需求是目前的 10 倍以上, 在這一背景下, CPO 有望將現有可插拔光模組架構的功耗降低 50%. 預計 CPO 出貨預計將從 800G 和 1.6T 端口開始, 於 2024 至 2025 年開始商用, 2026 至 2027 年開始規模上量, 主要應用於超大型雲服務商的數通短距場景.

全球 CPO 端口的銷售量將從 2023 年的 5 萬增長到 2027 年的 450 萬. 2027 年 CPO 端口在 800G 和 1.6T 出貨總數中占比接近 30%. Yole 報告數據顯示, 2022 年 CPO 市場產生的收入達到約 3800 萬美元, 預計 2033 年將達到 26 億美元, 2022-2033 年複合年增長率為 46%.