作者：Vivek Shaw
Molex 先进技术资深总监
超大型数据中心正面临性能瓶颈，传统的芯片到端口连接方式对吞吐量和可扩展性造成了结构性限制。预计全球对数据中心容量的需求到 2030 年将会是现在的三倍以上，使得这一挑战更加严峻。
业界的解决方案是共封装光学技术 (CPO)，这是一种全新架构，将光学输入/输出 (I/O) 直接与芯片集成，从而解决距离问题。但这种直接方式又带来了围绕热管理和可维护性的一系列新的工程障碍。新架构是否可行，现在取决于能否掌控应对这些核心问题的系统级方法。
为何可插拔光学技术正逼近其极限
在 AI 庞大的算力需求下，成熟的前面板可插拔光学架构已经逼近其物理极限。传统光学收发器设计的固有挑战是，信号从主板上的专用集成电路 (ASIC) 通过有损铜导线传输到前面板模块，这期间必须跨越很长的电气距离。在像 448Gbps 这样的下一代速度下，推动信号通过这一路径需要巨大的电能来补偿信号随距离的衰减，这些能量最终以废热的形式散失。
庞大的算力消耗导致“I/O 功耗瓶颈”，这是一个重大的行业问题，移动数据所需的电力开始比肩处理数据所需的电力。这不仅推高运营成本，也使热管理变得更为复杂。同时，可插拔模块的物理尺寸对前面板 I/O 密度也造成了严格限制。随着数据传输率的增加，前面板上可用于添加更多端口的物理空间正在耗尽，使得面板上也出现了一个独立但同样致命的带宽瓶颈。
共封装光学技术和功耗收益
CPO 将光学引擎与主处理器集成在同一基板上，重新定义了光学收发器的架构。这种紧密集成大幅缩短了电气路径，减少了推动信号所需的电力。路径缩短之后，就不再需要大功率重定时器和其他信号调节组件，来满足长距离铜导线传输所需，这可以显著降低光学 I/O 造成的功耗。因此，CPO 解决了 I/O 功耗瓶颈和前面板密度限制问题，显著提高了用电效率和带宽。
然而，该集成本身带来了两个重大工程障碍：
- 热管理，因为激光器直接放置在高价值处理器旁边，这是光学系统的主要热源。
- 可维护性风险，因为组件故障可能需要更换整个处理器封装。
共封装光学技术中的调制器取舍
CPO 的可行性取决于硅光子学，这是一种使用成熟的半导体制造能力将光学功能集成到芯片上的技术。该架构的核心组件是调制器，它将电气数据编码到光中，代表了一项重要的工程取舍。
两种主要调制器技术之间的取舍显而易见：Mach-Zehnder 调制器 (MZM) 和微环调制器 (MRM)。
- Mach-Zehnder 调制器非常稳定可靠，但其体积庞大，与 CPO 的密度目标相冲突。
- 微环调制器体积小巧，能效高，但对热波动非常敏感。而放置在靠近发热处理器时，这种波动又不可避免。
面对这样的现实情况，业内主要企业做出了不同的决策。例如，Broadcom 似乎更倾向于使用 MZM，而 Nvidia 则为其 CPO 应用选择了 MRM。
这两种方法之间的冲突凸显了一个关键信息：热管理是任何可行的 CPO 设计中都必须克服的核心工程障碍。
外部激光源：CPO 的系统级解决方案
要解决 CPO 核心热管理和可维护性挑战，最有效的架构解决方案是使用外部激光源 (ELS)，将激光器与 CPO 分离。Molex 已完整实现这一概念并率先推向市场，将 CPO 从纸上谈兵变为实际可部署的现实。
解决热挑战
外部激光源互连系统 (ELSIS) 是一个完整的解决方案，实现高功率激光器与处理器和光学引擎的物理分离。通过将激光器置于独立的可插拔模块中，直接解决了热挑战。该设计将发热最大的负载与高价值处理器分离，从而简化了热管理。
降低可维护性风险
除了解决热问题，模块化设计还支持激光模块的现场便捷维护，从而降低了可维护性风险。ELSIS 使用盲插接口，所有光学和电气连接都在设备内部进行，避免了激光器故障需要更换整个处理器封装等代价高昂的情况。
完整的系统级解决方案
这种整体方法带来的最终产品：ELSIS 是一款完整的预制系统，包括：
- 电气和光学连接器
- 压配外壳
- 可插拔模块自身
所有组件均设计为一个有机的整体，支持可扩展的可靠部署。
系统级挑战的系统级方法
向 CPO 的转型代表了设计理念的重大演变，旨在应对系统性的热管理和可维护性挑战。要充分发挥 CPO 的性能和效率，需要将激光器、光学器件和互连视为单一的集成系统。
成功实施该架构需要在光学、电气和机械领域拥有深厚专业知识的工程合作方，因为任何一个领域的失败都会影响整个系统。
Molex ELSIS 体现了这种系统级方法，降低了风险，并提供了下一代数据中心不可或缺的可扩展架构。
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