การเกิดขึ้นของอุปกรณ์ออปติกแบบรวมแพ็กเกจ (Co-Packaged Optics): การวิเคราะห์เชิงลึกเกี่ยวกับโมดูลออปติกแบบ CPO

กระแสที่ไม่หยุดนิ่งของปัญญาประดิษฐ์ คอมพิวเตอร์ระดับไฮเปอร์สเกล และเครือข่ายรุ่นถัดไป กำลังเผยให้เห็นข้อจำกัดของอุปกรณ์ออปติกแบบเสียบได้แบบดั้งเดิม ของผู้ผลิตรายบุคคลที่น่าเชื่อถือ. ความท้าทายด้านความสมบูรณ์ของสัญญาณไฟฟ้า การใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และข้อจำกัดด้านความหนาแน่นทางกายภาพที่ความเร็วเกิน 200G ต่อเลน จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงพื้นฐาน นี่คือจุดเริ่มต้นของ แสงแบบบูรณาการร่วมกับชิป (Co-Packaged Optics: CPO), CPO เครื่องจักรออปติก ย้ายเข้าไป ภายใน แพ็กเกจ ASIC ของสวิตช์ บทความนี้นำเสนอภาพรวมอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับ โมดูลออปติกแบบ CPO, โดยสำรวจเทคโนโลยี ประโยชน์ ความท้าทาย และบทบาทสำคัญที่มันมีต่อศูนย์ข้อมูลและโครงสร้างพื้นฐาน AI ในอนาคต.

➤ ประเด็นสำคัญ

• โมดูลออปติกแบบ CPO วางส่วนประกอบออปติกและอิเล็กทรอนิกส์ไว้ร่วมกัน สิ่งนี้ช่วยให้ข้อมูลเคลื่อนย้ายได้เร็วขึ้นและประหยัดพลังงาน ทำให้เส้นทางสัญญาณสั้นลงอย่างมาก จากเซนติเมตรเป็นมิลลิเมตร ซึ่งอาจลดการใช้พลังงานลงได้ถึงครึ่งหนึ่ง นอกจากนี้ยังช่วยลดความหน่วง (latency) อีกด้วย เทคโนโลยี CPO ทำให้สามารถบรรจุข้อมูลปริมาณมากขึ้นในพื้นที่ขนาดเล็ก ช่วยให้ศูนย์ข้อมูลสามารถจัดการข้อมูลได้มากขึ้น อย่างไรก็ตามยังมีปัญหาบางประการ เช่น ความร้อนและการผลิตที่ซับซ้อน แต่ระบบระบายความร้อนและเทคนิคการแพ็กเกจที่ดีขึ้นกำลังช่วยแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ศูนย์ข้อมูล ผู้ให้บริการคลาวด์ และบริษัท HPC ใช้เทคโนโลยี CPO เพื่อให้ได้ความเร็วที่สูงขึ้น ต้นทุนพลังงานที่ต่ำลง และความสามารถในการขยายระบบได้ง่ายขึ้น.

➤ การทำความเข้าใจโมดูลออปติกแบบ CPO: นวัตกรรมหลัก

ต่างจาก ตัวรับ-ส่งสัญญาณออปติกแบบเสียบได้แบบทั่วไป ที่เสียบเข้ากับแผงหน้า โมดูลออปติกแบบ CPO (มักเรียกว่า เครื่องจักรออปติกจะถูกผสานรวมโดยตรงลงบนซับสเตรตหรืออินเทอร์โพเซอร์เดียวกันกับชิปสวิตช์/เราเตอร์ ซีดีซี (ASIC). การรวมแพ็กเกจนี้ทำให้ระยะทางของเลนสัญญาณไฟฟ้าความเร็วสูงที่เชื่อมต่อระหว่างชิปซิลิคอนกับส่วนประกอบออปติกสั้นลงอย่างมาก.

• ความแตกต่างที่สำคัญ: โมดูล CPO ตัวส่งสัญญาณแสง ไม่ใช่หน่วยอิสระที่สามารถถอดเปลี่ยนขณะทำงานได้ แต่เป็นชุดประกอบที่ผสานรวมอย่างแน่นหนาของส่วนประกอบโฟโตนิก (เลเซอร์ โมดูเลเตอร์ โฟโตดีเทคเตอร์ ไดรเวอร์ และ TIAs) ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการวางตำแหน่งร่วมกับ ASIC.

• ตัวขับเคลื่อนเทคโนโลยีหลัก: ฟอโตนิกส์บนซิลิคอน (SiPh), การบรรจุขั้นสูง (การรวมแบบ 2.5D/3D) และสารรองความหนาแน่นสูง (ตัวกลางระหว่างชิปซิลิคอนและแพ็กเกจอินทรีย์) มีความสำคัญยิ่งต่อการสร้างฟังก์ชันที่ใช้งานได้จริง โมดูลออปติกแบบ CPO.

➤ เหตุใดจึงต้องใช้โมดูลออปติคัลแบบ CPO? แรงผลักดันหลัก

1. กำแพงพลังงานพังทลายลง: การส่งสัญญาณไฟฟ้าความเร็วสูง (224G PAM4 และสูงกว่านั้น) ผ่านแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ระยะหลายนิ้วเพื่อไปยังโมดูลแบบเสียบได้ที่หน้าแผงด้านหน้า ใช้พลังงานมากเกินไป (~10–15 พิโคจูลต่อบิต หรือมากกว่านั้น). โมดูลออปติกแบบ CPO ลดระยะทางนี้ให้เหลือเพียงไม่กี่มิลลิเมตร อาจลดพลังงานที่ใช้สำหรับ I/O ลงได้มากกว่า 50% ต่อบิต.

2. การระเบิดของความหนาแน่นแบนด์วิดท์: คลัสเตอร์ AI/ML ต้องการความหนาแน่นของการเชื่อมต่อที่ไม่เคยมีมาก่อน CPO ทำให้สามารถจัดเรียงช่องสัญญาณออปติคัลจำนวนหลายพันช่องไว้ใกล้กับ ASIC โดยตรง หลีกเลี่ยงข้อจำกัดทางกายภาพที่หน้าแผงด้านหน้า และทำให้ความสามารถในการสลับสัญญาณ (switch capacity) เกิน 25.6T และกำลังเข้าใกล้ 51.2T และ 102.4T อย่างรวดเร็ว.

3. ความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ความเร็วสูงสุด: เส้นทางไฟฟ้าที่สั้นลงช่วยลดการสูญเสียสัญญาณ การบิดเบือน (jitter) และสัญญาณรบกวนข้ามช่อง (crosstalk) ทำให้การใช้งาน 224G และ 448G PAM4 ต่อช่องในอนาคตเป็นไปได้และเชื่อถือได้ สิ่งนี้มีความสำคัญยิ่งต่อ ตัวส่งสัญญาณออปติคัลความเร็วสูง ประสิทธิภาพการทำงาน.

4. ต้นทุนและประสิทธิภาพของระบบโดยรวม: แม้ต้นทุนเริ่มต้น ของโมดูล CPO จะสูง แต่การประหยัดต้นทุนระดับระบบจากพลังงานที่ใช้น้อยลง ความต้องการระบบระบายความร้อนที่ลดลง และการออกแบบ PCB ที่อาจง่ายขึ้น ทำให้ TCO (ต้นทุนรวมตลอดอายุการใช้งาน) น่าสนใจอย่างยิ่ง โดยเฉพาะในระดับ hyperscale.

➤ องค์ประกอบของโมดูลออปติคัลแบบ CPO: ส่วนประกอบหลักและการรวมเข้าด้วยกัน

A ทรานซีเวอร์ออปติคัลแบบ CPO ประกอบด้วย:

1. วงจรโฟตอนิกแบบบูรณาการ (PIC): โดยทั่วไปใช้เทคโนโลยี SiPh รวมตัวปรับสัญญาณ (เช่น โมดูเลเตอร์แบบ Mach-Zehnder – MZMs), ตัวตรวจจับแสง (PDs), ไกด์คลื่นแสง (waveguides) และอาจรวมตัวรวม/แยกสัญญาณ (Mux/Demux) นี่คือเครื่องยนต์หลักในการควบคุมแสง.

2. วงจรไฟฟ้าแบบบูรณาการ (EIC): ประกอบด้วยไดรเวอร์ไฟฟ้าความเร็วสูงสำหรับโมดูเลเตอร์ และแอมพลิฟายเออร์แปลงกระแสเป็นแรงดัน (TIAs) สำหรับตัวตรวจจับแสง ต้องวางไว้ใกล้กับ PIC มากที่สุด.

3. แหล่งกำเนิดแสง: โดยทั่วไปคืออาร์เรย์เลเซอร์แบบคลื่นต่อเนื่อง (CW) ภายนอก การรวมเลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงและให้กำลังสูงโดยตรงยังคงเป็นความท้าทายสำคัญ แสงจะส่งผ่านไฟเบอร์หรือไกด์คลื่นแสง.

4. การบรรจุและการเชื่อมต่อ: การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าแบบความหนาแน่นสูงพิเศษ (ไมโครบัมป์ หรือการเชื่อมแบบไฮบริด) ทำหน้าที่เชื่อม EIC กับ ASIC และ EIC กับ PIC การจับคู่แสง (เส้นใยแก้วนำแสงแบบมีเลนส์ หรือเกรตติง) ทำหน้าที่เชื่อม PIC กับอาร์เรย์เส้นใยภายนอก การจัดการความร้อนขั้นสูงคือ ส่วนประกอบที่จำเป็น.

➤ โมดูลออปติกแบบ Co-Packaged Optics (CPO) เทียบกับทรานซีเวอร์แบบเสียบได้ (Pluggable Transceivers) และโมดูล Near-Packaged Optics (NPO): การวิเคราะห์เปรียบเทียบ

คุณสมบัติ	ทรานซีเวอร์ออปติกแบบเสียบได้ (เช่น QSFP-DD, OSFP)	โมดูล Near-Packaged Optics (NPO)	โมดูลออปติกแบบ Co-Packaged Optics (CPO)
ตำแหน่ง	แผงหน้าของสวิตช์/เราเตอร์	ซับสเตรต/ตัวรองรับแยกต่างหาก อยู่ใกล้มาก กับ ASIC	ใช้ซับสเตรต/อินเทอร์โพเซอร์เดียวกันกับ ASIC
ความยาวของเส้นทางสัญญาณไฟฟ้า	ยาว (10–15 ซม. ขึ้นไป)	สั้น (1–5 ซม.)	สั้นพิเศษ (< 1 ซม.)
ประสิทธิภาพด้านพลังงาน (I/O)	ต่ำกว่า	ปรับปรุงระดับปานกลาง	สูงสุด (ลดลงได้มากกว่า 50% ต่อ TeraBit/s/TeraWatt)
ความหนาแน่นของแบนด์วิดท์	จำกัดโดยแผงหน้า	สูงกว่าแบบเสียบได้มากอย่างเห็นได้ชัด	มีศักยภาพสูงสุด
ระบายความร้อนแยกตามโมดูล	ต่อโมดูล	ต้องประสานงานกับระบบระบายความร้อนของ ASIC	ซับซ้อนมาก โดยรวม ASIC กับออปติกเข้าด้วยกัน
ความสามารถในการอัปเกรด/ซ่อมบำรุง	ง่าย (เปลี่ยนขณะระบบกำลังทำงาน – Hot-swap)	ยาก (มักต้องหยุดระบบ)	ยากมาก (ต้องเปลี่ยน ASIC)
การเข้าถึงพอร์ตออปติก	แผงหน้า	โดยทั่วไปอยู่ที่ขอบของบอร์ด/ตัวรองรับใกล้กับ ASIC	อยู่ภายในแพ็กเกจของ ASIC
ความพร้อมของระบบนิเวศ (Ecosystem Maturity)	พร้อมใช้งานสูงมาก	กำลังเกิดขึ้น	อยู่ในระยะพัฒนาเบื้องต้น
จุดเน้นการใช้งานหลัก	วัตถุประสงค์ทั่วไป ยืดหยุ่นสูง	การรวมสัญญาณแบบความหนาแน่นสูง และการนำไปใช้ใน AI ระยะแรก	ความหนาแน่นสูงสุด พลังงานสำคัญมากสำหรับ AI/ML และ TOR

➤ ความท้าทายสำคัญต่อการนำโมดูลออปติกแบบ CPO ไปใช้งานจริง

แม้จะมีศักยภาพสูง แต่ยังคงมีอุปสรรคสำคัญหลายประการ:

1. การจัดการความร้อน: การผสานรวม ASIC ที่ใช้พลังงานสูง (มักมากกว่า 700 วัตต์) เข้ากับแหล่งกำเนิดเลเซอร์และโฟโตนิกส์ที่ไวต่อความร้อน ทำให้เกิดจุดร้อนอย่างรุนแรง. ลิงก์-พีพี ใช้ความเชี่ยวชาญด้านโซลูชันการจัดการความร้อนของเรา — เช่น เทคโนโลยีแกนทองแดงที่ใช้ในโมดูลแบบเสียบได้ 800G SR8 ของเรา — เพื่อนำไปประยุกต์ออกแบบสำหรับ ทรานซีเวอร์ออปติคัลแบบ CPO การผสานรวม โดยเน้นเส้นทางการถ่ายเทความร้อนออกอย่างมีประสิทธิภาพ.

2. การทดสอบ ผลผลิต และ Known Good Die (KGD): การทดสอบเอ็นจินออปติก ก่อนที่ การผสานรวม ASIC ขั้นสุดท้ายมีความซับซ้อนและมีต้นทุนสูง การรับประกันว่าได้ “Known Good Die (KGD)” ทั้งสำหรับ ASIC และ ของโมดูล CPO เป็นสิ่งสำคัญยิ่งต่ออัตราผลผลิต. LINK-PP’s อย่างเข้มงวด วิธีการทดสอบทรานซีเวอร์ออปติก ที่พัฒนาขึ้นสำหรับผลิตภัณฑ์เช่น LQD-CW400-DR4C เป็นพื้นฐานสำคัญสำหรับการประกันคุณภาพของ CPO.

3. การผสานเลเซอร์: การเชื่อมต่อแสงจากเลเซอร์ที่มีความน่าเชื่อถือและให้กำลังสูงเข้ากับ PIC อย่างมีประสิทธิภาพยังคงเป็นความท้าทายด้านเทคนิคและต้นทุนที่สำคัญ ปัจจุบันใช้ชุดเลเซอร์ภายนอก (ELAs) เป็นวิธีแก้ปัญหา แต่การบรรจุร่วม (co-packaging) หรือการติดตั้งเลเซอร์บนชิป (on-chip lasers) คือเป้าหมายระยะยาวที่ต้องการ.

4. ความซับซ้อนและต้นทุนของการบรรจุภัณฑ์: การบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงแบบ 2.5D/3D และการจัดตำแหน่งทางแสงที่แม่นยำสูงมากทำให้ต้นทุนเริ่มต้นสูงกว่าโมดูลแบบเสียบได้ (pluggables) การมาตรฐาน (เช่น OIF, COBO, OpenEye MSA) มีความสำคัญยิ่งต่อการลดต้นทุน.

5. ความสามารถในการซ่อมแซมและห่วงโซ่อุปทาน: ความล้มเหลวใน ทรานซีเวอร์ออปติคัลแบบ CPO องค์ประกอบหนึ่งๆ มักจำเป็นต้องเปลี่ยนแพ็กเกจ ASIC ทั้งหมด ซึ่งส่งผลต่อต้นทุนการดำเนินงาน ระบบนิเวศสำหรับองค์ประกอบที่บรรจุร่วมยังอยู่ในระยะเริ่มต้น.

➤ LINK-PP: เชื่อมโยงความต้องการปัจจุบันเข้ากับวิสัยทัศน์ CPO ในอนาคต

ขณะที่ โมดูลออปติกแบบ CPO แทนขอบเขตใหม่แห่งอนาคต, ลิงก์-พีพี ให้ประสิทธิภาพสูงและความน่าเชื่อถือ โซลูชันตัวรับส่งสัญญาณแสง ที่จำเป็นต่อโครงสร้างพื้นฐานในปัจจุบันและระยะเปลี่ยนผ่าน:

• โมดูลแบบเสียบได้รุ่นล่าสุด: พอร์ตโฟลิโอของเราตอบสนองความต้องการด้านความหนาแน่นและประสิทธิภาพที่เครือข่ายสมัยใหม่เรียกร้อง สำรวจ ทรานส์ซีเวอร์ออปติก 800G ตัวเลือกต่างๆ ของเรา เช่น LQD-M31800-DR8C QSFP-DD สำหรับระยะทาง 500 เมตรบนไฟเบอร์แบบ single-mode (SMF) หรือ LQD-M85800-SR8C สำหรับลิงก์ภายในศูนย์ข้อมูลที่ต้องการแบนด์วิดท์สูง สำหรับความต้องการ 400G โปรดพิจารณาโมดูลที่ออกแบบเพื่อประหยัดพลังงาน LQD-CW400-FR4C คิวเอสดีพี-ดับเบิลดี.

• ความเชี่ยวชาญระดับ NPO-Ready: ลิงก์-พีพี กำลังพัฒนา เครื่องจักรออปติก เทคโนโลยีและความรู้ด้านการผสานรวมที่เกี่ยวข้องกับ Near-Package Optics (NPO) ซึ่งเป็นก้าวสำคัญสู่ CPO แบบเต็มรูปแบบ งานวิจัยด้านการจัดการความร้อนขั้นสูงของเรา ซึ่งเห็นได้ชัดจากโมดูลเช่น LQ-LW100-ZR4C คิวเอสดีพี28, สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้โดยตรง.

• การลงทุนเพื่ออนาคตของ CPO: ลิงก์-พีพี มุ่งมั่นต่อการนวัตกรรมด้านฟอโตนิกส์บนซิลิคอนและสถาปัตยกรรมการบรรจุร่วม (co-packaging) เราอยู่ระหว่างการพัฒนา ทรานซีเวอร์ออปติคัลแบบ CPO บล็อกอาคารหลัก (building blocks) และเข้าร่วมกลุ่มอุตสาหกรรมต่างๆ เพื่อขับเคลื่อนมาตรฐาน ทำให้แน่ใจว่าโซลูชันของเราพร้อมสำหรับยุคของการบรรจุร่วม สอบถามข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ ชุดพัฒนา CPO optical engine.

➤ บทสรุป: การผสานรวมที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

โมดูลออปติกแบบ CPO ไม่ใช่เพียงแค่ก้าวหนึ่งที่ค่อยเป็นค่อยไปเท่านั้น แต่ยังแสดงถึงการเปลี่ยนผ่านทางสถาปัตยกรรมพื้นฐานที่จำเป็นต่อการรักษา Moore’s Law สำหรับแบนด์วิดท์ และเอาชนะข้อจำกัดด้านพลังงานที่ส่งผลกระทบต่อศูนย์ข้อมูลสมัยใหม่ แม้ว่าจะยังมีความท้าทายด้านการจัดการความร้อน การทดสอบ และต้นทุนเริ่มต้น แต่ข้อได้เปรียบที่โดดเด่นในด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ความหนาแน่นของแบนด์วิดท์ และประสิทธิภาพที่ความเร็วสูงสุดทำให้ CPO หลีกเลี่ยงไม่ได้สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการสูงสุด การเปลี่ยนผ่านนี้กำลังดำเนินอยู่ โดยเคลื่อนผ่าน NPO ไปสู่การรวมแบบ co-packaged อย่างสมบูรณ์.

พร้อมสำรวจอนาคตของการเชื่อมต่อแบบออปติคัลหรือยัง?

ลิงก์-พีพี คือพันธมิตรของคุณสำหรับโซลูชันออปติคัลล่าสุด ตั้งแต่โมดูลแบบเสียบได้ (pluggables) ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในปัจจุบัน ไปจนถึง โมดูลออปติคัลแบบ co-packaged ของอนาคต.

• เพิ่มประสิทธิภาพเครือข่ายปัจจุบันของคุณ: ค้นพบผลิตภัณฑ์หลากหลายของเราที่ครอบคลุม ตัวรับส่งสัญญาณแสงความเร็วสูง, รวมถึง 800G, 400G, และ 100G SFP28 DAC (สายทองแดงแบบต่อโดยตรง) และ AOC (สายออปติกแบบใช้งานได้):.

• เตรียมความพร้อมสำหรับ CPO & NPO: ติดต่อผู้เชี่ยวชาญด้านเทคนิคของเราเพื่อหารือเกี่ยวกับแผนงานของคุณสำหรับการพัฒนารุ่นถัดไป การรวมโมดูลออปติคัลแบบ co-packaged และเรียนรู้เกี่ยวกับ LINK-PP’s การพัฒนาขั้นสูง เครื่องจักรออปติก ที่กำลังดำเนินการอยู่.

• เข้าถึงเทคโนโลยีล่าสุด: สอบถามข้อมูลเกี่ยวกับ ทรานซีเวอร์ออปติคัลแบบ CPO การพัฒนาองค์ประกอบและโซลูชันที่รองรับอนาคตของเรา.

คำถามและคำตอบ

โมดูลออปติคัลแบบ CPO คืออะไร?

โมดูลออปติคัลแบบ CPO คือการนำส่วนประกอบออปติคัลและอิเล็กทรอนิกส์มาจัดวางร่วมกัน ซึ่งช่วยให้ศูนย์ข้อมูลสามารถส่งข้อมูลได้เร็วขึ้น และใช้พลังงานน้อยกว่าการออกแบบแบบเดิม.

เทคโนโลยี CPO มอบประโยชน์อะไรบ้าง?

เทคโนโลยี CPO ให้แบนด์วิดท์สูงขึ้นและการใช้พลังงานต่ำลง รวมทั้งลดความหน่วง (latency) ศูนย์ข้อมูลสามารถส่งข้อมูลปริมาณมากขึ้นด้วยพลังงานน้อยลง ซึ่งช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายและเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวม.

โมดูลออปติคัลแบบ CPO ประสบปัญหาอะไรบ้าง?

โมดูล CPO มีปัญหาด้านความร้อนและกระบวนการผลิตที่ซับซ้อน ภาคอุตสาหกรรมจำเป็นต้องพัฒนามาตรฐานที่ดีขึ้นและเพิ่มจำนวนผู้จัดจำหน่าย เพื่อส่งเสริมการนำไปใช้งานอย่างแพร่หลายมากขึ้น.

อุตสาหกรรมใดบ้างที่ใช้โมดูลออปติคัลแบบ CPO?

ศูนย์ข้อมูล ผู้ให้บริการคลาวด์ และบริษัท HPC ใช้โมดูล CPO กลุ่มเหล่านี้ต้องการการถ่ายโอนข้อมูลที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพสูงสำหรับงานของตน.

อะไรคือความแตกต่างระหว่างโมดูลออปติคัลแบบ CPO กับโมดูลออปติคัลแบบดั้งเดิม?

โมดูล CPO รวมเครื่องยนต์แสงและชิปสวิตช์ไว้ด้วยกัน.

ดูเพิ่มเติม

การทำความเข้าใจบทบาทและความสำคัญของ TOSA ในโมดูล

แนะนำให้คุณรู้จักกับชุมชนเครือข่าย LINK-PP