A Era da Comunicação Óptica de IA: Três Grandes Mudanças na Indústria para CPO

Co-Packaged Optics (CPO) é um novo tipo de tecnologia de integração optoeletrônica. CPO é baseado em tecnologia de empacotamento avançada, integrando módulos transceptores ópticos e chips ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) em um único pacote para formar um microsistema com funções específicas.

A tecnologia CPO encurta ainda mais o comprimento da interconexão elétrica entre a entrada do sinal óptico e as unidades de computação. Isso não só aumenta a densidade de interconexão entre módulos ópticos e chips ASIC, mas também atinge menor consumo de energia. É uma solução técnica importante para o problema da transmissão em alta velocidade de dados massivos no futuro processamento de big data.

De acordo com dados da Cisco, de 2010 a 2022, a largura de banda de comutação de rede de data centers globais aumentou em 80 vezes. A compensação, no entanto, foi um aumento de 8 vezes no consumo de energia do chip de comutação, um aumento de 26 vezes no consumo de energia do módulo óptico e um aumento de 25 vezes no consumo de energia do SerDes (Serializador/Desserializador) em chips de comutação. Como as interfaces ópticas dependem da tecnologia SerDes híbrida analógica-digital, sua eficiência energética evolui mais lentamente do que a parte ASIC. O custo por bit e a taxa de redução do consumo de energia das interfaces ópticas ficam muito atrás daqueles dos ASICs de comutação. Para reduzir ainda mais o consumo de energia, é necessário encurtar a distância do SerDes ou reduzir o número de SerDes. Portanto, novas tecnologias como OBO (On-Board Optics), NPO (Near-Packaged Optics) e CPO surgiram em arquiteturas de sistemas de interconexão óptica.

As principais mudanças da indústria para CPO na era da comunicação óptica de IA

Desenvolvimento Acelerado da Tecnologia de Fotônica de Silício; Maturação Contínua de Motores de Fotônica de Silício CPO

Como a tecnologia central do CPO, os motores fotônicos de silício estão amadurecendo rapidamente na era da comunicação óptica de IA. A tecnologia fotônica de silício é uma plataforma ideal para integrar fotônica e microeletrônica. Na sociedade da informação de hoje, caracterizada por "computação eletrônica, transmissão óptica", os gargalos técnicos da microeletrônica/optoeletrônica são cada vez mais aparentes. Espera-se que a optoeletrônica baseada em silício, compatível com o processo microeletrônico CMOS maduro, se torne a melhor solução para integrar fotônica e microeletrônica. Como a solução principal para os atuais motores ópticos de CPO, espera-se que a maturidade da tecnologia fotônica de silício impulsione ainda mais o desenvolvimento do CPO.

(1) Da perspectiva das aplicações da tecnologia fotônica de silício, a tecnologia fotônica de silício serve como a tecnologia subjacente para módulos fotônicos de silício, CPO e motores ópticos OIO. Na era de alta velocidade, espera-se que a expansão da comunicação óptica fotônica de silício catalise ainda mais a maturação da tecnologia do motor fotônico de silício.

Espera-se que a fotônica de silício como uma tecnologia de comunicação óptica se beneficie totalmente do desenvolvimento do AIGC (Conteúdo Gerado por IA). Espera-se que a tecnologia de fotônica de silício em data centers, seja no lado do chip (OIO), no lado do dispositivo (CPO), em módulos ópticos entre dispositivos ou na comunicação óptica coerente entre data centers, veja mais desenvolvimento.

• Da perspectiva do ritmo de desenvolvimento da fotônica de silício, empresas globais estão promovendo ativamente o desenvolvimento da tecnologia de fotônica de silício, melhorando ainda mais a cadeia da indústria de fotônica de silício.

Atualmente, a indústria de tecnologia fotônica de silício ainda está se desenvolvendo, com a cadeia da indústria gradualmente tomando forma. Ela agora abrange vários aspectos, incluindo instituições de pesquisa de ponta, provedores de ferramentas de design, fornecedores de módulos de chip de dispositivo, fundições, empresas de TI, fabricantes de equipamentos de sistema e usuários. Por volta de 2010, o sistema de pesquisa fotônica de silício começou a transição de ser liderado por instituições acadêmicas para ser conduzido por fabricantes. Existem vários modelos principais de desenvolvimento para a tecnologia fotônica de silício:

• Suporte Nacional de Projetos: Por exemplo, os Estados Unidos lançaram a “National Photonics Initiative” em 2014, financiando a criação de um instituto de fotônica integrado. Posteriormente, em 2015, o AIM Photonics Institute foi estabelecido com um investimento de US$ 610 milhões para padronizar a plataforma de fotônica integrada, reunindo vários segmentos da cadeia da indústria. Outros projetos e instituições de pesquisa globais relacionados incluem o programa de pesquisa de produção em massa do módulo fotônico de silício Leti da UE.
• Investimento de gigantes da TI: empresas como Intel e IBM estão comprometidas com a pesquisa de tecnologia de fotônica de silício desde 2003, fazendo investimentos substanciais e de longo prazo.
• Pequenas Startups: Inicialmente financiadas por capital de risco, essas empresas são posteriormente adquiridas por empresas maiores para investimento sustentado, um modelo de desenvolvimento essencial para fotônica de silício. Exemplos incluem Acacia e SiFotonics.
• Startups emergentes: Algumas startups emergentes também contribuem significativamente para o desenvolvimento da fotônica de silício.

(3) Da perspectiva das oportunidades da indústria de fotônica de silício, a prosperidade das soluções de fotônica de silício continua a aumentar, proporcionando uma oportunidade favorável para as empresas entrarem na indústria de CPO.

A 25ª Exposição Optoeletrônica Internacional da China (CIOE 2024) foi realizada de 11 a 13 de setembro de 2024, no Centro Internacional de Convenções e Exposições de Shenzhen. Impulsionada pela IA, a rápida atualização de chips optoeletrônicos e dispositivos/motores ópticos para módulos ópticos em direção a velocidades mais altas foi acelerada. Simultaneamente, novas tecnologias representadas por fotônica de silício/CPO/niobato de lítio de película fina/ótica coerente estão continuamente amadurecendo. Entre elas, a maturidade e a atenção do mercado da tecnologia fotônica de silício aumentaram significativamente, com inúmeras empresas investindo na tecnologia fotônica de silício.

Os principais fabricantes implementam ativamente o CPO, catalisando ainda mais o desenvolvimento da indústria

Os principais fabricantes de chips estão implementando ativamente Tecnologia CPO, lançando continuamente protótipos de CPO de fotônica de silício. Várias soluções de CPO foram introduzidas por grandes fabricantes de chips, incluindo Intel, Broadcom, Raonvus, AMD, Marvell e Cisco, que exibiram protótipos de CPO em exibições recentes da OFC, alcançando maior capacidade de comutação e menor consumo de energia. Empresas como Nvidia e TSMC também demonstraram seus planos de CPO. Acreditamos que, por um lado, a tecnologia de CPO baseada em motores de fotônica de silício, como a solução principal, provavelmente se beneficiará do desenvolvimento da tecnologia de fotônica de silício. Por outro lado, espera-se que a entrada de fabricantes líderes acelere ainda mais a melhoria e o desenvolvimento da cadeia da indústria de CPO.

A Intel tem pesquisado e desenvolvido ativamente módulos ópticos plugáveis ​​e moduladores de microanéis. Desde 2020, ela tem aproveitado sua plataforma de processo de fotônica de silício para construir sistemas CPO (Co-Packaged Optics) baseados em moduladores de microanéis. Na conferência "OFC 2020", a Intel apresentou seu primeiro protótipo de CPO, que integra um mecanismo fotônico de silício de 1.6 Tbit/s com um switch Ethernet programável de 12.8 Tbit/s, ao mesmo tempo em que considera o gerenciamento térmico em seu design arquitetônico. No IEEE ISSCC de 2024, a Intel anunciou os últimos avanços em sua tecnologia CPO, alcançando uma taxa de transmissão de sinal de 4x64 Gb/s com um baixo consumo de energia do sistema de apenas 1.3 pl/bit. A Intel e a Ayar Labs, tendo colaborado por muitos anos, demonstraram a incorporação de dois chiplets TeraPHY OIO de 4 Tb/s em FPGAs Intel Agilex na conferência Supercomputing 2023, com o suporte de duas fontes de luz SuperNova que permitem comunicação óptica de alta velocidade com 64 canais ópticos em cada chiplet.

A Broadcom revelou seu primeiro switch CPO na conferência “OFC 2022”, combinando o chip switch Tomahawk25.6 de 4 Tbps com um mecanismo óptico. Em 2023, a Broadcom apresentou o Strata Tomahawk XGS5, que apresenta uma capacidade de comutação de 51.2 Tbps, consome apenas 5.5 W de energia e suporta 800Gbps taxas de dados. Na conferência “OFC 2024”, a Broadcom anunciou que havia entregue o primeiro switch Ethernet CPO de 51.2 Tbps do setor, o Bailly, aos clientes. Este produto integra oito mecanismos ópticos fotônicos de silício de 6.4 Tbps com o chip de switch StrataXGS Tomahawk5, reduzindo o consumo de energia de interconexão óptica em 70% e aumentando a eficiência da área de silício em oito vezes.

A Ranovus lançou a arquitetura CPO 2.0 acionada por analógico da marca Odin na conferência “OFC 2021”. Desenvolvida em colaboração com a IBM, TE e Senko, essa arquitetura atinge uma redução de 40% no consumo de energia e economia de custos ao eliminar funções de retemporização e implementar uma solução de chip único com eficiência de IC. Na “OFC 2023”, a Ranovus demonstrou a combinação de um mecanismo fotônico de silício de acionamento direto de 800G com chips FPGA da AMD.

A Marvell apresentou seu primeiro protótipo de CPO com uma largura de banda de 1.6 Tbit/s na conferência “OFC 2022”. Na “OFC 2023”, a Marvell apresentou um chip de comutação de 51.2 Tbit/s.

A Cisco demonstrou um protótipo de switch de 25.6 T baseado na tecnologia CPO na “OFC 2023”, apresentando oito motores fotônicos de silício de 3.2 T, cada um equipado com oito 400G-FR4 chips fotônicos de silício, com cada mecanismo óptico tendo uma taxa de canal único de 100 Gbps.

A Nvidia vem desenvolvendo CPO de fotônica de silício. Na conferência “2020 GTC”, a Nvidia apresentou um diagrama de arquitetura de sistema que interconecta GPUs e chips de switch por meio de CPO e tem colaborado ativamente com empresas como TSMC e Ayar Labs para desenvolver a tecnologia CPO.

A TSMC começou a colaborar com a Luxtera em 2017 para desenvolver uma plataforma de processo fotônico de silício de 12 polegadas no nó de 65 nm. Posteriormente, a TSMC introduziu o empacotamento avançado e lançou a plataforma COUPE1.0/2.0, com um roteiro de desenvolvimento visando atingir um mecanismo óptico de 6.4 Tbps até 2025.

A TSMC anunciou o lançamento da plataforma COUPE. No Simpósio de Tecnologia Norte-Americano de 2024, a TSMC revelou seu roteiro de mecanismo óptico 3D, planejando fornecer conexões ópticas de até 12.8 Tbps para processadores fabricados pela TSMC. Dado que o cabeamento de cobre não pode atender às crescentes demandas de largura de banda, a fotônica de silício está prestes a se tornar uma tecnologia crítica para futuros data centers. O Compact Universal Photonics Engine (COUPE) é uma das conquistas significativas no campo da fotônica de silício. Esta tecnologia utiliza a tecnologia de empacotamento SoIC-X da TSMC, empilhando circuitos integrados eletrônicos (EIC) sobre circuitos integrados fotônicos (PIC) para formar uma estrutura EIC-on-PIC. Esta estrutura atinge a menor impedância na interface chip a chip, resultando em máxima eficiência energética. Além disso, o COUPE apresenta um design integrado compacto, ampla compatibilidade de comprimento de onda, conversão optoeletrônica eficiente, escalabilidade e flexibilidade, tornando-o adequado para várias aplicações de interconexão óptica e atendendo a diversas necessidades.

Atualmente, os motores ópticos 3D da TSMC estão em fase de desenvolvimento, com planos para aumentar gradualmente as velocidades de transmissão e aproximar as conexões ópticas dos processadores. O plano de desenvolvimento do COUPE inclui três estágios, cada um focado em aumentar as taxas de transmissão e reduzir o consumo de energia:

1. 2025: O mecanismo óptico 3D de primeira geração da TSMC será integrado a dispositivos plugáveis ​​OSFP operando a velocidades de 1.6 Tbps, dobrando a taxa máxima das atuais soluções Ethernet baseadas em cobre. O COUPE de primeira geração visa atingir alta largura de banda e melhorar a eficiência energética, ambos problemas críticos em data centers modernos.
2. 2026: Os produtos fotônicos de silício de segunda geração da TSMC planejam integrar o COUPE ao encapsulamento CoWoS, alcançando o co-encapsulamento de chips de switch e dispositivos ópticos. Isso permitirá interconexões ópticas em nível de placa-mãe em velocidades de até 6.4 Tbps. Espera-se que o consumo de energia da segunda geração seja inferior a 50% da primeira geração, com latência projetada para ser inferior a 10% da primeira geração.
3. Terceira Geração: O objetivo é integrar o COUPE ao pacote do processador, com o COUPE operando no CoWoS Interposer, visando uma taxa de transmissão de 12.8 Tbps enquanto aproxima as conexões ópticas do processador. Este estágio ainda está na fase exploratória, sem uma data de lançamento clara, mas a TSMC visa reduzir ainda mais o consumo de energia e a latência.

Era da IA ​​e crescimento da demanda por switch de alta velocidade

A era da IA ​​está impulsionando a demanda por switches de alta velocidade, destacando as vantagens das soluções de CPO. Com interconexões ópticas penetrando cada vez mais em racks e sistemas de computação, os switches — dispositivos de rede central em redes de comunicação óptica — estão evoluindo para alta velocidade, múltiplas portas e baixo consumo de energia para atender aos crescentes requisitos de clusters de IA. A era da IA ​​apresenta uma oportunidade de mercado significativa para switches de solução de CPO.

O desenvolvimento da largura de banda da IA ​​acelera a evolução das velocidades de interconexão. Desde 2019, a indústria global de data center entrou no palco do centro de poder da computação. De acordo com dados da Cisco, a largura de banda de comutação da rede global de data center aumentou 80 vezes de 2010 a 2022. O rápido desenvolvimento do AIGC (Artificial Intelligence Generated Content) impulsionou ainda mais as atualizações da arquitetura de rede e as iterações de aceleração de GPU, aumentando a demanda por maior largura de banda entre os dispositivos. Como 2023 marcou o ano inaugural da IA, as velocidades de interconexão dobraram na metade do tempo. A evolução dos chips de comutação de data center está agora em uma fase de duplicação da capacidade a cada dois anos, com expectativas de atingir 102.4 T de capacidade até 2025, correspondendo a 1.6 T de portas ópticas.