随着数字数据流速度和数据率的增加，PCB 走线的损耗正变得越来越成为瓶颈。通过共封装光学将信号更靠近 ASIC 传输可以提高信号完整性。
数个世纪以来，通信的速度受限于信息传播的媒介。步行信使、骑马信使、跨越海洋的信件。距离和运输定义了极限。
电报和电话的发明改变了这一状况。一旦媒介变得几乎即时，约束条件就从传输转向了解释。莫尔斯操作员解码消息的速度有多快，或者口语信息被理解的速度有多快。
在计算时代的大部分时间里，互连技术基本上被忽视了。处理能力增长如此迅速，以至于铜质走线、背板和印刷电路板（PCB）布线被认为在设备内部“足够快”。传统的模块化系统围绕铜质背板和电气互连构建，如图 1 所示。
如今，这一假设已不再成立。随着人工智能系统和超大规模架构不断推高带宽需求，介质重新成为决定性因素。信号损耗、耗能大的调节以及密度限制意味着 PCB 不再是最快通信的天然通道。数据传输方式再次成为信息共享速度的核心。
这种瓶颈在扩展 GPU 织物、超大规模交换环境以及现在在最大数据中心中构建的 AI 集群中尤其明显。在这些带宽水平下，互连不再是设计边缘的细节。它变得至关重要。功耗、信号完整性、密度和延迟都受到芯片间比特移动方式的影响。
这就是共封装光学技术出现的背景。有时被描述为革命性的，但这一转变更应被视为渐进式的。共封装光学技术并非对过去的突然突破；它们代表了迈向高速连接的下一步。这一轨迹是由塑造了几十年互连设计的相同工程压力所驱动的。
PCB 和背板：最初的公路
在现代电子学的大部分历史中，PCB 和铜制背板构成了模块化电子系统的骨干。背板连接器、铜制走线和电气信号传输使架构师能够构建大型、可维护的平台，处理器、线路卡和子系统能在机架内高效通信。
电信路由器和交换机使用这些基于铜的构建模块扩展得很好。连接器技术与硅片同步发展，提高引脚密度，改善阻抗控制，并一代又一代地提升电气性能。多年来，铜提供了工程师们需要的：一种熟悉的、易于制造、可靠且经济高效的介质。
但高速电气扩展的现实是每一代都要求更多物理性能。最终，背板开始出现裂缝。
铜制扩展主导了系统
随着数据速率的持续攀升，电气传输的基本限制变得越来越难以忽视。损耗随频率迅速增加，反射和间断性变得更加有害，串扰余量缩小。PCB 设计的物理现实——走线长度、过孔、连接器转换和布线约束——开始主导链路预算。随着数据速率的增加，损耗和抖动的综合效应开始闭合信号眼，如图 2 所示。
在较低速率下，这些问题通常可以通过合理的布局实践和适度的均衡来管理。但随着信号速率的持续上升，系统复杂性更多地用于保护数据，而不是传输数据。
每一项新的速度里程碑都需要额外的均衡器、重定时器和更复杂的编码技术。这些技术虽然有效，但会引入额外开销。更多的电力被用于保持信号，更多的硅片被用于传输比特而不是进行计算。
在大规模多机架系统中，铜缆也成为了物理限制。重量、体积和传输距离的限制很快就会暴露出来。这是推动光纤进入视野的最初驱动力之一。铜缆难以支持电信路由器中跨多个机架所需的传输距离，而光纤则早在人们开始谈论共封装光子技术之前就提供了一种实用的解决方案。
延长铜缆的使用寿命
行业首次主要应对措施非常直接。如果长电气路径是问题，就缩短它们。不再从板边发射高速信号，而是将连接器移至 ASIC 附近以减少电气传输距离。板中连接器和近封装连接器架构缩短了电气路径长度，并提高了信号完整性。
这一步增加了余量，同时扩展了铜缆的使用寿命。但它也引入了新的挑战。将连接器更靠近硅片需要更严格的机械公差。组装过程更加复杂，可维护性降低。每一次改进都伴随着权衡，但创新仍在继续，下一步是为最高速通道完全绕过 PCB。
芯片邻近布线
随着 PCB 走线难以扩展，许多设计师开始将高速信号路由到紧邻硅片的铜缆组件中。双轴电缆和类似的高性能电缆技术在高数据速率下可以超越长 PCB 走线，提供更好的损耗特性和更长的传输距离。
芯片邻近布线，如图 3 所示，使设计者能够摆脱长板走线的限制。不再强迫铜缆跨越整个 PCB 或背板，而是通过更受控的介质传输信号。随着更多高速通道从 PCB 移入电缆组件，铜缆的体积和复杂性会随之增长。
遗憾的是，这仍然是一个电气解决方案。尽管信道性能得到了提升，但电气信号传输的基本开销并未消除。重定时器、编码复杂性和功耗仍然是工具箱中的组成部分。然而，随着系统对更高带宽密度的持续需求，芯片邻近布线面临着同样的问题：铜缆的极限能被推多远，才能使架构不再受信号调理主导？
共封装铜
铜线的创新并未止步于芯片附近的电缆。路线图继续向更近的位置移动，甚至将高速电气连接直接从芯片基板上引出。共封装铜技术进一步缩短了走线长度，并支持更高的 I/O 密度。
然而，在这个规模上，封装环境变得拥挤。热限制加剧，机械集成变得更加精细，连接器密度接近实际极限。虽然铜线仍可扩展，但每遇到新的速度障碍，其余量都在缩小。
铜线仍然对于电力传输和许多短距离互连至关重要。电气创新仍在继续，工程师们不断延长铜线的使用寿命。铜线和光学的平行发展是有原因的。工程师们认识到，尽管随着每一代信令的推出，铜线的扩展空间不断缩小，但它仍然至关重要。
当光学首次证明其价值时
光学技术并未进入系统设计是因为工程师想要些异样的东西。光纤最初被采用是因为铜线无法满足传输距离和扩展性要求。多机架式电信路由器是早期采用光纤的典型例子。在这些系统中，铜缆变得过于庞大且传输距离受限，而光纤则实现了铜线无法实际支持的更大、可扩展的架构。
从那时起，光学开始更接近硅芯片。板载光学减少了密集线路卡系统内部的电气传输距离。即便如此，光学通常仍被视为一种特殊工具，仅在铜缆传输距离不够时使用。但随着带宽需求的激增，光学逐渐从特殊领域转变为必然选择。
在某个时刻，系统消耗的功率用于清理电气信号，甚至超过了数据传输本身。此时，光学变得不可避免，并非因为铜缆失效，而是因为物理学已达到权衡不再合理的阶段。
当铜系统接近其性能极限时，问题已不再是电气链路能增加多少复杂性，而是不同介质是否更自然地扩展。光纤与铜的扩展方式截然不同。虽然高速双轴铜缆的传输距离仅限于数米，而光纤通常能支持数百或数千米的传输。在光介质中，衰减和色散表现不同，光子学提供了电气信号无法高效实现的扩展机会。
电信行业长期以来通过使用波分复用来在单根光纤上传输多个信道而受益。这使得带宽的增加可以独立于物理介质本身。在这些系统中，扩展带宽通常只需要在发送和接收端点进行更改。类似的原理可以应用于数据中心光子学，随着光学引擎向芯片靠近。
一旦光学器件足够靠近以消除长距离电气路径，大部分的重新定时和编码开销就会消失。这是推动行业将焦点转向共封装光学的有力原因。
什么是共封装光学？
传统上，光转换位于系统边缘的插拔模块中。ASIC 通过 PCB 走线进行电气通信，而光学器件仅出现在前面板上。共封装光学改变了这一边界。从物理结构上看，这种架构转变更加清晰。 图 4 展示了光学引擎如何紧邻 ASIC 封装移动；光纤直接从基板上引出。
CPO 将电气到光学的接口拉入封装环境中。而不是在系统边缘转换信号，光发射和接收功能位于 ASIC 附近，仅几毫米之遥。其收益是显著的。电气路径缩短，重定时和调节开销可以减少，曾经用于驱动长距离铜线的显著硅片和功耗可以被消除。
Co-packaged optics 最好不被理解为一种新功能，而应看作是转换发生地点的一种架构性转变。
CPO 何时进入讨论？
大多数工程师并不接受光学技术，因为这是一种时尚的举措。采用光学技术是在电气连接无法高效扩展时发生的。当铜线连接在每次迭代中崩溃，并且逃逸布线成为封装限制时，共封装光学技术变得相关。当每机架带宽超出前面板光学技术所能支持的范围，并且每比特功耗成为一项严格的架构约束时，它也会进入讨论。
在大多数情况下，CPO 并非要在所有地方都取代铜线。相反，它是在芯片边缘，距离、密度和功耗交汇的地方应用光学技术。
工程构建模块与开放性挑战
实现封装光学需要几个关键要素。光芯片和光子晶片必须与基板紧密集成。需要外部激光源，因为激光通常保持离片以改善热稳定性和长期可靠性。通过专用光纤路径，光仍能高效地传输到光学引擎。
下一代交换芯片和 GPU 布线的路线图已经指向每封装更多通道。连接器必须变得可分离和可维护，而不是永久连接的易受损组件。光纤到芯片连接仍然是最具挑战性的难题之一。以可制造、可拆卸的方式将数百根光纤连接到紧凑基板并非易事。CPO 在技术上可行，但大规模部署的扩展是一个巨大的障碍。
谁将率先采用封装光学？
共封装光学技术的早期采用最有可能来自超大规模计算公司和人工智能基础设施建设者，在这些领域，带宽密度和能效至关重要。大型训练集群、交换网络和延迟敏感系统将率先证明共封装光学架构的合理性。在这些环境中，即使每比特功耗的微小降低或延迟的减少，当扩展到数千个互联设备时，也能成为显著的系统级收益。
一旦光纤可以直接从芯片获取，这项技术就具有广泛的应用前景。剩下的障碍是生态系统的成熟度。行业必须从生产数千个复杂的光子组件扩展到生产数十万个基于共封装光学的系统。
结论：芯片边缘的下一步
共封装光学技术并非一场突然的革命，而是封装内高速连接的下一步。铜线仍将至关重要，特别是在电源和短距离连接方面，但在电气开销不再合理的地方，光学技术将变得不可避免。
未来是混合的。铜缆和光纤将共存，各自在最适合其工程应用的地方发挥作用，随着系统架构师继续将带宽向硅芯片迁移的艰难旅程，他们将各自发挥最大的工程意义。
