你知道開一場Zoom線上會議，每小時會使用到810MB~2.4GB的資料頻寬嗎？為增加你在家工作「生產力」而播放的音樂清單中，每首約3分鐘的曲子使用2MB+左右資料頻寬，也就是一個小時約40MB；還有你在家庭劇院透過Netflix平台串流播放的HD高解析度影片，大約佔據6GB資料頻寬，所有這些資料流量都要加在一起…而在過去幾年，被產生出來的資料量、被傳輸與被分析的資料量迅速增加(並因為新冠疫情期間有越來越多在家工作、學習的情況而加劇)。
這帶來了對更快速資料網路與裝置介面速度的劇烈需求；更高的資料傳輸速度讓資料介面對能源的需求增加，對資料傳輸延遲性的敏感度也更高。而因為資料中心網路交換器與其他設備需要降低功耗、提升頻寬密度，資料網路產業正轉向採用共同封裝光學元件(co-packaged optics，CPO)。本文將概述資料中心所使用的銅線與光學互連歷史，以及目前互連解決方案遭遇的極限，還有共同封裝光學元件的未來發展前景。
從銅線到光纖電纜
在連網應用中，銅因為具備高傳導性、廉價，以及延展性、耐熱性而佔據主導地位；基於這些理由，銅線一直被應用於資料網路，甚至是資料中心之間與都會區周邊的長距離傳輸。然而，隨著網路速度提升，在長距離銅線上可靠地傳輸驅動訊號的功率與頻寬需求也隨之增加，為此工程師們開始尋找更高效率的材料。於是在1990年代，長距離網路傳輸從銅線轉向採用光纖電纜，因為光纖能提供更低損耗的傳輸、更高頻寬，以及更低的能源需求。
光纖不只帶來以上優勢，隨著各種新技術導入，也讓網路基礎架構能更方便升級；這是因為光纖電纜利用可插拔光學模組，包括可用於雙向轉換光學訊號與電訊號的光學引擎(optical engine，OE)。這些可插拔模組提供了一種簡單、靈活的連結光線電纜與連網設備方法，只要把它們插進安裝在印刷電路板(PCB)上以及網路設備前面板的連接器。這類模組利用了模組與連網設備交換器/路由器ASIC之間的電氣介面。
而隨著資料網路速度持續提升至超過400Gbps，光纖本身已經無法滿足需求；甚至是從接近PCB中央的交換器ASIC，到網路設備前面板可插拔模組之間相對較短的距離，也必須要更大功率來驅動電子訊號。這成為越來越嚴重的問題，也是共同封裝光學元件可派上用場的地方。
什麼是共同封裝光學元件？
了解電-光轉換需要用電氣PHY重定時(retime)輸入的電訊號以及光學元件—例如雷射、調變器(modulator)與光電二極體(photodiodes) —以驅動光學訊號，是有幫助的。這些功能通常實現於不同的IC封裝元件並整合於PCB上，如圖1所示。
圖1：電-光轉換所需的功能元件。
而今日的先進技術提供了前所未有的小型化，使得在單一封裝中整合電子與光學元件成為可能，也實際可行；這種在單封裝中整合了電子與光電裸晶的解決方案，就叫做共同封裝光學元件，如圖2所示。
圖2：CPO就是在單封裝中整合電-光轉換所需電子與光學元件的解決方案。
未來新一代交換器ASIC需要達到51.2 TBps或更高速率，以支援800Gb等級甚至1.6Tb等級乙太網路；這些應用就需要CPO，讓資料能透過光來傳輸到交換器ASIC封裝。這能將光學引擎到交換器ASIC之間的電氣介面長度縮短到只有數毫米(millimeter)，此外也能因應減少能源使用、以及降低從電訊號提取時脈與資料而導致的延遲的需求。
追根究柢，超大規模資料中心應用正在推動此新一波CPO設計浪潮，透過提供一種在提升頻寬容量同時維持機架單位(rack unit)功率恆定的方法，來因應所謂的「功耗牆」(power wall)與面板密度限制問題。
實現CPO的廣泛採用需要什麼？
儘管以上提到的所有應用前景看好，在產業界於資料中心廣泛採用CPO之前，仍有數個有待克服的障礙。舉例來說，因為CPO需要矽晶片靠近矽光子(photonics)，傳統的面板可插拔光學元件設計規則就不再適用，當前三大廣泛CPO應用—乙太網路交換器、機器學習與解構式網路(disaggregation) —需要的設計權衡與可維護性(serviceability)考量完全不同，產業專家仍在爭論應該要採用哪些設計規則與介面規格。
成本是另一個具挑戰性的因素，CPO的價格需要降低到能與預計2024年可達每Gb成本0.6美元的400G-DR4規格光學元件相互競爭。不過可以放心的是，因為CPO不需要使用重定時器以及時脈資料回復(clock-and-data-recovery，CDR)晶片，也不需要昂貴的超低損耗PCB材料與外殼硬體，可望節省大量成本。
而雖然有這些障礙，顯然CPO是邁向整合光-電資料介面的重要一步。目前產業組織如Co-Packaged Optics Collaboration以及Optical Interconnect Forum (OIF)正扮演主導角色，彙整協調包括新思科技(Synopsys)在內的產業領導廠商意見，以定義CPO規格並推動其他工作，像是：
電子與光學元件之間的通道標準化
讓電子與光學元件能更有效、可靠通訊的介面標準化
用於開發並驗證電子與光子IC的設計工具
新思科技可提供的OptoCompiler是一種支援電子與光子IC設計、佈線、模擬與驗證的整合式平台，能讓設計工程師繪製設計電路圖，並選擇領域特定(domain-specific)電路模擬器與DesignWare IP，分析電子/光學介面通道與CDR的性能。隨著上述標準不斷演進以及對CPO的需求提升，新思科技也會持續更新工具與IP，協助客戶高效率地轉移至CPO以及所有透過單封裝電-光整合解決方案可實現的創新。
本文轉載自新思科技部落格並同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年8月號
編譯：Judith Cheng
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