共同封裝光學(CPO) VS 傳統封裝：為什麼它是未來的關鍵技術？ 現今最熱門的幾個產業如：人工智慧(AI: Artificial intelligence)、機器學習(ML: Machine Learning)加上物聯網(IoT: Internet of Things)、高解析度影片串流(4K/8K)、虛擬實境(VR: Virtual Reality)的快速發展，除了需要大量的資料運算，這些產業都還有一個共通點就是需要大量的數據（資料）傳輸，因此大型數據資料中心開始如雨後春筍般的建置，掀起了高速網路設備需求的攀升，光通訊產業也將開始進入一波大規模的技術提升之浪潮。
資料中心的網路頻寬標準，從過去10G、40G、100G、200G提升到現在800G，下一代規格新品更是已規劃出1.6T(1600G)，這些需求將通過技術的不斷進步得以實現。  圖一 : 乙太網路速度演進圖 (參考來源: Ethernet Alliance)光收發器：連接光與電的橋樑光收發器(Optical Transceiver)是一種雙向的光通訊設備，具備「光信號發射」和「光信號接收」兩大功能。用於在光纖通訊系統中實現光訊號和電訊號的互相轉換，光收發器有多種封裝形式，搭配不同尺寸，功耗和速率需求. 目前光收發器的封裝是以可插拔的樣式為主。  表一：光收發器常用的Form Factor種類與比較 圖二 : 常見的兩種數據傳輸信號調變技術NRZ與PAM4 (參考來源: Ethernet Alliance) 圖三：NRZ，高、低兩種電位訊號表示數位邏輯訊號的1、0 圖四：PAM4，4個不同的電位訊號進行訊號傳輸現階段伺服器的外殼後端，可插入一個光電訊號轉換器模組，稱為「光收發器」。而在電路板上，則佈滿許多由銅線製程的電路，所有的電子便會循著這些銅製電路來傳遞訊號，當電子走到伺服器尾端進入這個模組後，訊號便會由電子轉換成為光子，光子便會沿著光波導材料，如光纖這類型的材料，將訊號傳遞出去至另外一端。
但隨著數據傳輸與交換資料量的暴增，帶動了對於高速傳輸的需求，傳統的可插拔光收發器雖然價格較低、使用便利，卻已出慢慢浮現瓶頸開始無法滿足數據中心對不斷提升的傳輸速度需求。
雖然傳統的銅線電導體在短距離、低頻寬的數據傳輸中依然表現出色，但在高速數據傳輸的環境之下，假若是使用傳統的方式進行資料傳輸將會面臨嚴重的訊號損失，並且延長模型訓練時間導致整體的耗電量增加。
因此光通訊元件需要透過頻寬更大、功耗更低的新介面技術來實現，最終目標是微縮到能直接與晶片整合的程度，以進一步降低延遲與成本。這是一個持續不斷的創新過程，每一次技術的提升都將推動數據通訊產業的蓬勃發展。 高效能光收發器 LPO/CPO：將是滿足 AI 與雲端需求的新技術LPO (Linear Pluggable Optics)和 CPO(Co-Packaged Optics)技術，就是為了要解決當前和未來高速數據通信中的瓶頸問題，特別是在數據中心和高性能計算(HPC)領域。
線性驅動可插拔光學模組 (Linear Pluggable Optics，簡稱LPO)是一種專為高效能網絡設計的新型光收發器架構。通過簡化光收發器的設計，減少了對於數字訊號處理(DSP)的依賴，以達到更低的功耗和更高的效能，適合目前數據中心和電信網絡在高速、低延遲的需求，伴隨著對高速低功耗網絡需求的增長，LPO 技術被視為光學通信領域的重要創新，特別是在 400G 和 800G 的時代，可能成為主流解決方案之一。 矽光子 (Silicon photonics，簡稱SiPh)一種基於矽材料的光子技術，利用矽製造光學元件來進行光信號的生成、傳輸和處理，能解決傳統電子傳輸的瓶頸。它是一種「積體光路」，將電子與光子結合在一起，把光路縮小成為一個晶片，在晶片內的線路皆使用可導光材質，這些線路被稱為「光波導」。光在導波中進行傳輸，從而實現高速率、低功耗的表現。其低成本、高性能和高集成的特性，讓它成為未來數據通信和計算領域的關鍵技術。
共同封裝光學 (Co-Packaged Optics，簡稱CPO）結合了兩個 20 世紀最重要的發明：矽積體電路和半導體雷射，將電子元件與光學元件結合在一起。再利用成熟的矽晶圓與半導體製程將晶片共同封裝成微型化的晶片，便可大幅縮短晶片的電子訊號走銅導線到光收發器之間的距離，減少訊號傳輸的路徑長度，降低訊號的損失，如可大規模生產、便可降低製造成本，因其高效能、低功耗及小尺寸等特點，將讓傳輸速度升級變快，正好符合當前快速傳輸交換大量數據資料的發展，讓晶片無論在效能還是功耗上的表現都能進一步的大大提升。  圖五：傳統光收發器、LPO、CPO 三種架構參考示意圖在過往一個10G的光收發器，功耗大約在1W左右，而速度提升到800G之後，功耗也急遽增加至16W~20W上下。假設每台網路交換器 (Switch)有64個光收發器，功耗將來到1024W~1280W，光是傳輸資料就必須消耗大量的電力，這對於能源利用與成本帶來巨大的負擔。
因此除了傳輸之外，CPO還有一個重要的優點浮現出來，就是節能與傳統電子訊號處理相比，光訊號傳輸可擁有更低的功耗表現，更加符目前全球節能減碳的趨勢。  表二：光收發器、LPO、CPO比較結論AI蓬勃的發展之下，海量資料的高速傳輸需求猛烈般提升，矽光子的優點也再次被大家所關注到。
目前多數的數據中心還是使用傳統光收發器，沒有辦法做到低功耗、高效能、小尺寸的優勢，LPO 提供短期內的靈活解決方案，降低光收發器功耗，適應現有架構。
而在不久的將來則需要靠共同封裝光學(CPO)將矽光子真正的優勢展現出來，雖然現階段的技術尚未成熟，加上生產成本依然偏高。
但矽光子主要的參與者包括Broadcom、Cisco、Intel、Marvell、Nvidia致力於研發此項技術，台積電(TSMC)也成立矽光子聯盟(SEMI Silicon Photonics Industry Alliance, SiPhIA)，從以上科技巨頭可以看出此項同封裝光學將會是未來的重要趨勢。
茂綸(Macnica Galaxy Inc.)所代理之瑞薩電子 (Renesas Electronics Corporation) 在網路交換器 (Network Switch)中，提供多樣的解決方案，包含高效能處理、低功耗以及時間敏感網路 (TSN) 等，適用於企業、數據中心、邊緣運算和工業應用等場景。以下是交換器應用的參考建議方案：  圖六：Networking Switch Power Diagram電源管理類電源管理
多輸入/輸出電壓轉換
電壓監控與保護
除電源相關產品之外，瑞薩提供一系列高性能的時鐘管理產品，專為滿足交換器在高頻寬、高穩定性和精確同步需求設計，涵蓋數據中心、企業級和工業交換器應用。
參考資料
|
