CPO技術崛起 通訊用光學元件產業面臨轉型

作者 : Martin Vallo、Eric Mounier,EE Times歐洲版特約作者

從所需的電氣與光學密度、散熱問題,以及功耗需求來看,目前通訊基礎設施使用的可插拔光學元件預期將會在支援1.6Tb/s、3.2Tb/s或更高傳輸速率時遭遇極限…

過去50年來,行動技術的創新每十年就有一波;對行動寬頻的需求持續演進,從語音通話、文字簡訊到超高解析度(UHD)視訊,以及各種擴增實境/虛擬實境(AR/VR)應用、線上服務,都帶動了資料流量的大幅增加。儘管新冠病毒疫情的爆發對電信基礎設施供應鏈衝擊甚鉅,全球消費者與企業用戶仍持續產生對連網與雲端服務的需求。

社交網路、商務會議、UHD視訊串流、電子商務,以及遊戲等應用將持續推動資料流量成長。隨著功能越來越多、越來越智慧的新型數位裝置問世,市場研究機構 Yole Intelligence (隸屬於Yole Group下)也觀察到,裝置的採用率每年都在增加。而連網車輛、自動化物流,以及製造廠房——包括擴增實境/虛擬實境——等應用佔據的頻寬,會比目前的UHD串流視訊應用更高(參考圖1)。

 

圖1:推動全球資料流量成長的主動力來自於高解析度視訊串流服務。

(來源:Yole, Co-Packaged Optics 2022)

 

從所需的電氣與光學密度、散熱問題,以及功耗需求來看,目前通訊基礎設施使用的可插拔光學元件預期會在支援1.6Tb/s、3.2Tb/s或更高傳輸速率時遭遇極限。因此離散式電子元件實作方法、功率損耗,以及散熱管理等,都會成為限制未來可插拔光學元件發展的因素。

為克服以上挑戰,能讓光學元件更接近交換器ASIC的共同封裝光學元件(co-packaged optics,CPO)這種新方法應運而生。CPO技術被認為是整個產業生態系統的新部署模式,也會是行之有年的可插拔光學元件替代方案;一旦達到商業化成熟度,CPO可望在某些特定應用佔據主導地位,不過這並不一定意味著可插拔光學元件將完全消失。

在2020年達到約600萬美元的CPO市場營收規模,預期在2032年可進一步成長至22億美元(參考圖2)。其成長動力主要是因為相較於可插拔光學元件,CPO方案可大幅節省能耗(超過30%),也能降低資本支出(以每Gbps美元計)。

 

圖2:2020年、2026年、2032年的資料通訊應用光學元件成長趨勢預測。

(來源:Yole, Co-Packaged Optics 2022)

 

矽光子技術的整合度優勢

CPO為乙太網路交換器或分解式運算(disaggregated computing)提供單封裝光學I/O,解決了可插拔光學元件產生的一些挑戰,包括連接埠密度、功耗、散熱管理與頻寬,其目標是讓電-光轉換過程盡可能接近運算/交換器或ASIC裸晶,以實現更高的頻寬與能源效益。

而仍被認為是新興技術平台的矽光子(Silicon photonics,SiPh),已經在一些採用可插拔光學元件的中等距離通訊應用中站穩腳步。CPO的商用目標是達到低於目前400G (DR或FR)可插拔光學元件的價格,透過矽光子支援的更高程度光-電整合可實現該目標。矽光子被發現能以更低成本提供在整合度與可靠性方面的優勢;2021年,矽光子收發器的出貨量超過800萬,預期該數字將會在接下來五年以25%的CAGR大幅成長。

外部安裝vs.整合性雷射元件

高度整合的光學元件需要成熟、高良率的晶圓廠製程,以及矽光子積體電路(photonic integrated circuit,PIC)元件製造技術。這樣的需求促使產業在一個新的基礎上透過定義新角色緊密合作,這樣的轉變不可能在一夕之間發生。在此同時,還有不少CPO技術挑戰有待克服。

目前試驗性的方法,並非將雷射元件與波導、調變器等元件深度整合,外部安裝雷射光源是業界較偏好的方法,主要因為顧慮雷射元件可靠度,以及散熱管理問題;但這也會帶來其他複雜性。外部雷射光源需要更高的雷射功率,才能克服從雷射到調變器傳輸路徑上的額外光學損耗;此外也會有額外的佔位空間、更高的雷射元件封裝成本,還需要另外的光纖與連接器。

為了簡化CPO封裝架構,並降低雷射模組與光纖數量,採用高功率雷射並在光學小晶片之間分散功率是有利的。單體整合的矽光子積體電路能實現更高製造良率,以及與三五族元件的低損耗整合。矽光子積體電路能與雷射整合,共享更多通道、波導、調變器、探測器、多工器,還有與光纖連結的V槽(V-grooves);這可減少封裝步驟,並因此讓量產製程更順暢。

光學元件產業面臨艱難的轉型

越來越多證據顯示,產業界正在認真看待這樣的轉變。2020年,光學互連與交換器設備產界,開始就CPO的進一步發展進行了密集且廣泛的討論;除了陸續有多個策略性合作案宣佈,最近也有第一批概念驗證成果問世。

在標準方面,產業組織OIF (Optical Internetworking Forum)與COBO (On-Board Optics)已經建立了內部專案以推動CPO進展,也有多元協議(Multi-Source Agreement,MSA)行動起而效之。四家超大規模雲端業者中的兩家,Facebook (Meta)與Microsoft,正積極努力支援CPO技術滲透至它們的網路架構中。

今日的CPO產業則是已圍繞著商用矽晶片與交換器設備供應商形成,這些業者也有收購或策略結盟矽光子技術業者的行動。它們試圖尋求新方法,提供資料中心營運商一整個生態系統的支援。目前CPO領域業者主要是美國公司,傳統的可插拔光學元件中國供應商,還未將CPO技術納入產品藍圖。

雖然CPO市場將會被塑造為多供應商的生意模式,其形成被認為可能導致可插拔光學元件產業的整併;儘管CPO市場的傾軋不會來自這些廠商。相反的,CPO技術將需要新的合作以及一致性的策略結盟,才能因應使用者的需求,以及技術可行性與經濟能見度。

CPO首度全面部署預期發生在2028年,支援200Tb等級交換容量。不過儘管CPO具備種種技術優勢,恐怕還是很難與可插拔模組競爭,後者還將在好一段時間內更受市場青睞。只會有少數幾家廠商(包括Broadcom、Intel、Ranovus與其他幾家公司)在市場提供專有CPO解決方案。為滿足市場需求並讓終端使用者相信CPO的可行性,多供應商業務模式以及製造良率必須是可接受的。未來幾年CPO技術解決方案的前景應該會更清晰,特別是業務與供應鏈模式。

 

圖3:可插拔光學元件與CPO部署模式比較。

(來源:Yole, Co-Packaged Optics 2022)

 

CPO的下一步發展

今日的光學模組市場在垂直方向上穩定發展,包括零組件供應商、光學元件供應商,以及封裝/測試整合業者。根據定義,多供應商業務模式牽涉眾多供應商,單一交換器中多個不同可插拔模組之互通為產業靈活性帶來助益,這也是目前可插拔方案超越CPO的主要優勢。

而當CPO躍居主流,傳統工業用光學元件市場版圖將會大幅縮水。CPO技術將重度仰賴矽光子,憑藉高度整合的光學元件與矽晶片,會非常需要新的工程能力與代工廠。這對傳統中型廠商來說會是無法接受的,只有營收規模達數十億美元的光學元件供應商能承擔從可插拔方案轉向CPO的成本。

眾多較小型企業資料中心在看到良好紀錄之前,不會採用那些最新的互連技術,因此技術的轉換會以更緩慢的速度發生。這意味著就算CPO成為主流技術,可插拔模組在數個CPO於技術或經濟上不可行的應用領域仍會有高度需求,例如長距離通訊或是邊緣資料中心。

Yole Intelligence不認為可插拔技術會在接下來十年被完全淘汰,不過可插拔光學元件產業可能會隨著CPO市場發展至可以實現多供應商業務模式,而出現整併。

(本文作者為Yole Intelligence資深分析師與市場研究總監)

 

(參考原文:Global Insights into the Co-Packaged Optics Technology Platform,by Martin Vallo、Eric Mounier)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年9月號

 

 

 

 

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