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產業追蹤/CPO模組 高速網通生力軍

插拔式光收發模組與共封裝光學模組架構差異說明:電的傳輸路徑大幅縮短,減少功耗。
工研院/提供
插拔式光收發模組與共封裝光學模組架構差異說明:電的傳輸路徑大幅縮短,減少功耗。 工研院/提供

全球網路應用迅速發展,從5G、AI到元宇宙等,和大眾生活各個面向結合,尤其2020年疫情爆發後,資料中心對頻寬的要求飛速攀升,也由於網路資料流量快速成長,對網通晶片頻寬的需求,也不斷水漲船高。

伴隨對能耗需求的大幅增加,傳統印刷電路板整合已無法承載高速的頻寬需求。因此將網通晶片改採矽光子共封裝模組技術(CPO)來實現已是大勢所趨,藉由先進封裝技術將光電與光學元件整合,使晶片開發者獲得更多通訊頻寬,從而實現高速低延遲的數據傳輸之外,傳輸資料時所消耗的電力也大幅減少,剛好切中現今全球低碳節能的訴求。也因擁有這些優勢,CPO模組將成為下一代高速網通相關晶片重要的技術之一。

台灣有完整半導體製造、設計、封測整合產業,並在消費型網通裝置、設備市場長期耕耘,面對運算、網通需求增加,經濟部產業技術司投入高速光電通訊晶片開發,未來可即時銜接上游製造及下游系統應用,在核心組件自主下,帶動整體產業加值空間,同時發展半導體先進封裝技術,解決連接埠密度、功耗、散熱管理與頻寬等技術瓶頸,拓展國內封測整合產業應用。

根據Yole的產業趨勢報告顯示,以2019年的12.8T伺服器總傳輸速度推估,至2028年需求量上看至204.8T。而傳統插拔式光收發模組(Transceiver) 因本身架構傳輸速度受限的情況下,將難以供給逐漸提高的傳輸速度需求,伺服器架構勢必將在近幾年逐漸替換成CPO的架構,因此Yole的報告反應出CPO傳輸模組打入市場,估計2028年資料中心將替換成204.8T的CPO傳輸技術是已在進行的方向。

以矽光子技術為基礎的CPO共封裝模組架構原理是將光通訊和電子封裝技術融合,使光和電信號能在同一個矽晶片上共存,以實現高速、高帶寬、低能耗的解決方法,其架構大幅縮短電的傳輸路徑,搭配低耗損光電載板線路結構設計,突破現有電路板組(PCBA)資料傳輸瓶。相較傳統收發器架構,CPO模組靠著高精度晶片設計與整合技術減少電的傳輸路徑,相同時間下資料量傳輸可提升八倍,增加30倍以上的算力並節省50%以上功耗。

目前CPO技術尚處於研發階段,國際大廠紛紛投入競逐,國際網通系統大廠博通與思科在2023年全球光通訊研討會(OFC)公開發表的的51.2T CPO,技術領先群雄,其他著重於CPO技術發展的全球網通指標性廠商還包含英特爾、輝達、IBM等大廠。

經濟部產業技術司為讓台灣在高速網路的趨勢中保有領先地位,促成國內關鍵模組升級為歐美大廠的上游供應商,並跨入國際矽光子產業供應鏈,同時也可對半導體需求業者提供零組件在地化生產模式,落實半導體設備零組件生態鏈完整在地化群落的契機。

以科專計畫積極投入矽光子及CPO的研發,並於工研院成立「矽光子積體光電系統量測實驗室」(LIOS),至今已有多件來自國際及台灣廠商的量測服務與技術合作案例,同時積極促成國內產業鏈的建立。

另外透過結合台灣光電暨化合物半導體產業協會(TOSIA)力量成立光通訊與矽光子SIG聯盟,透過合作聯盟廠商共同開發技術、分享資源並提升整體競爭,冀望帶動國內光通訊與矽光子產業升級發展與開拓創新應用市場,串聯上下游業者不同的需求、技術及方案,打造新一代AI及網通產業的護國群山。

目前矽光子技術正在解決插拔式模組訊號延遲的問題,以解決資料中心內部計算速度逐步提高之需求,在各產業終端產品應用鏈結AI運算需求的同時,在計算架構中的CPU、 GPU與記憶體等硬體之間相互訊號傳輸速度將成為瓶頸,許多學者提出希望用光波導來取代電訊號的資料交換,讓各硬體之間的內部傳輸更快更有效率,這項技術將帶來更強大的運算能力,有助於推動AI和其他高效能應用的發展。

矽光子技術站在台灣光電產業的強大基礎實力上可望迅速發展,訊號在光晶片中傳遞的技術有助從物理根本上提升資料中心內部計算速度,以及對外資料傳輸速度,半導體製程與高精度封裝技術使模組變更微小、更精密,可填補不斷增長的AI運算需求,台灣在半導體技術實力和矽光子技術的鏈結帶來的創新與進步,可在全球科技競爭保持領先地位,開發推動半導體產業經濟轉型與可持續發展,也為人類開創更加光明的前景未來。(作者是經濟部產業技術司高效低耗資料傳輸運算模組關鍵技術開發與系統應用計畫主持人)

半導體 晶片 網通

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