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【產業動態】CPO 共同封裝的架構介紹

下一代資料中心交換網路和高性能運算(如機器學習和人工智能)面臨的挑戰越來越多,包括高功率散熱和對高頻寬I/O資料傳輸的需求;目前的架構擴展指出,下一代系統將對冷卻能力提出更高要求,如果要實現所需的性能水平,就需要新的架構和新的技術實現。


共同封裝 (Co-Packaging) 是指將光學或電氣通訊設備附加在與主機ASIC(圖1)相同的一級基板上,預計可提供高頻寬的互連並實現顯著的功耗節省;透過將光學引擎放置在與主機ASIC緊密鄰近的位置,可以最小化高速電通道的損耗和阻抗不連續性,從而實現使用更高速度、更低功耗的外部I/O驅動器。

共同封裝的運作方式
共同封裝的運作方式

圖2a至d展示了一些具有不同封裝配置的特定應用案例,用於引擎和ASIC的封裝,共同封裝組裝(Co-Packaging Assembly, abbr. CPA)是一個多晶片模組(MCM),具有插槽或焊接的ASIC和光學引擎(OE)或電氣引擎(EE),安裝在高性能基板上。


圖2c展示了一個使用者案例,其中引擎位置使用被動銅纜組裝(Copper Cable Assembly, abbr. CCA)填充,以連接到近距離收發器(如相干收發器),這些收發器可能無法放入光學引擎或電氣引擎的封裝空間中,CCA也可以用於與板上的光學或電氣引擎連接,或者與前面板模組連接。


圖2d展示了一個使用案例,其中封裝的ASIC(ASIC晶片加上ASIC基板/RDL)和引擎,透過插槽連接到一個共同的基板上,這些插槽可以在裝配和修復過程中,方便地安裝和拆卸設備,這種配置被稱為插槽式的「近封裝光學元件」(NPO, near-package optics)。


這份針對CPO的框架文件的目的是確定一些重要的應用及其需求,以便合作封裝的實行可以提供顯著的好處,本文還將討論與光學和電氣合作封裝相關的一些問題,確定機會並制定產業共識,以追求互操作性標準,預計這個框架項目將在OIF或其他適當的標準組織進行後續的標準化活動。


應用概述

目前已經確定了三個可以從合作封裝上受益的應用領域(見圖3):

  1. 資料中心網路: 通常包括連接服務器和儲存設備的乙太網路網卡(NIC)和交換機。

  2. AI訓練/ML機器學習: 其中專用的高性能圖形處理器、或張量處理器 (tensor processor) 與範例(訓練資料)緊密耦合,用於進行預測和/或決策的處理(學習)。

  3. 系統分離: 其中處理、儲存和記憶體功能,在多個運算節點之間共享,以提高使用效率。


每個應用都包含兩個通訊端點,一個交換節點與另一個交換節點、或終端節點相連接,它們各自具有不同的要求和操作環境,這些應用預計將推動對比當今運作的方式具有更高頻寬、更低延遲和更低功耗的互連需求,目前的方法(通常使用可插拔光學收發器或被動銅纜)將難以滿足這些要求,而下一代系統需要新的架構和技術。透過在靠近ASIC的位置上合作封裝通訊界面(例如光學或電氣引擎),可以實現高資料流通量的互連,並具有更低的功耗和延遲。

這些合作封裝的應用可能使用各種電氣接口標準,如XSR、LR、PCIe,甚至是像AIB這樣的寬接口,其中一些電氣接口將具有低延遲,通常運作時不採用前向誤差修正碼(FEC),或者可能使用非常低延遲的FEC編碼方式。


儘管這些應用可能具有不同的整體要求,支援這些應用的光互連的插入損耗可以是相似的;圖4顯示了用於資料中心網路和使用以乙太網路協議,進行人工智能訓練的合作封裝光學引擎,具有100Gb/s基礎通道資料速率的倍數,以及4dB的光插入損耗預算(用於以單模光纖為基礎的架構);對於短距離資料中心網路應用,可能會有1.8dB的損耗預算(用於以多模光纖為基礎的架構);在某些人工智能訓練和解聚合系統 (disaggregated system) 中,共享的資源不需要大頻寬,基礎通道資料速率預計較低(例如PCIe第5代的32Gb/s NRZ接口),並使用低延遲協議,如Intel與AMD主導中的最新規範CXL(Compute Express Link),另一方面,內存解聚合需要在許多端點 (memory) 和處理器之間一次性傳輸的大型資料區塊或資料集合,將需要具有低延遲的大基數交換機 (large radix switch, 指的是交換機的端口數量或連接能力),並且全光交換方法可能提供所需的性能,因此,光插入損耗預算從4dB增加到8-10dB,以符合這些類型的運作。


表1、顯示了這些應用所需的其他功能,包括能源效率、終端節點上的引擎類型、每個終端節點和交換節點上的引擎數量以及引擎的可靠性。在需求更明確時,預計將填入沒有數值的儲存格。


表1:所考慮應用的必要功能(注:灰色儲格將在系統需求更明確時填寫完整)。

  1. 能源效率估算包括引擎端的主機電氣接口、CDR、PIC元件和雷射源,不包括交換機端。假設以XSR電氣接口應用於乙太網路合作封裝光學應用中。

  2. 引擎的可靠性貢獻,不包括雷射的貢獻

  3. 雷射的可靠性貢獻,不包括引擎的貢獻。


表2、為應用端點的屬性,表3則為不同應用的預期訊號格式和協議。



原文網址:OIF TECHNICAL WORK

文章翻譯:翔宇科技量測事業部


關於 OIF


OIF(光學互聯工程組織)是一個國際非營利組織,擁有100多家公司會員,包括全球領先的運營商和供應商,作為一個結合資料和光學領域代表的產業組織,OIF的目的是加速部署互操作性強、具有成本效益和穩健性的光學互聯網路及其相關技術;光學互聯網路是由路由器和資料交換機,透過光學網路元件互連的資料網路,為了促進全球光學互聯網產品的相容性,OIF積極支援並擴展國家和國際標準機構的工作。OIF與CFP-MSA、COBO、EA、ETSI NFV、IEEE 802.3、IETF、INCITS T11、ITU SG-15、MEF和ONF等機構建立了工作關係或正式聯繫。


VIAVI Solutions 光通訊解決方案


VIAVI Solutions 不僅是通信測試和測量及光學技術的全球領航者,目前也致力於IEEE 802.3、 PCI -SIG等高速傳輸介面相關協會合作提供High Speed Gigabit Ethernet、PCIe等解決方案。

翔宇科技為 VIAVI Solutions – Elite Partner – 最高等級的代理商,並於 2022 年獲頒 VIAVI 2022 Velocity Partner Award,所代理的 VIAVI Solutions 光纖網路設備測試應用,分別如下:


光纖網路設備測試


光學製造測試平台:


包含 MAP系列主機搭配各種光學測試模組如 Power Meter、Attenuator、OSA、Optical Switch 和最新推出的 Swept Wavelength System (SWS)。

  • MAP(Multiple Application Platform): MAP 系列為高效的測試平台機框,包括前世代的 MAP-200 和最新第三代 MAP-300 系列,提供直觀介面和各種端口做自動化編程。

  • SWS(Swept Wavelength System): SWS 掃頻系統整合了 Insertion Loss (IL)、Polarization Dependent Loss (PDL) 、Return Loss (RL) 等測試,針對 CWDM、DWDM、ROADM 以及目前最新的 Silicon Photonics 提供整體解決方案。

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ONT 乙太網路測試系列,可幫助您開發和驗證以乙太網路所需的整合電路 (IC)、模組和網路元件。

  • ONT 804/812 測試平台: ONT 系列平台配備多種主機選件和相容的應用模組,從攜帶式機框到 19 英寸機架安裝式,搭配不同測試模組可滿足高達 800G 頻寬、供電和冷卻要求,提供客戶所需的複雜系統驗證需求。所有應用模組均共用相同的使用者介面、自動化和腳本處理功能,便於使用,並可加速客戶產品開發週期內的通用性。

  • ONT 800G XPM 測試模組: 支援 1x800G 光傳輸速率並兼容 2x400G、8x100G 以及 4x200G,是業界最高速的光纖網路測試設備,包含 Unframed BERT、封包傳輸、FEC 壓力測試、動態 Skew 驗證。

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透過 ITU-T 積極參與了 30 多個標準機構和開發計劃,提供業界最全面的高速網路測試套件。

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