對於更高效能功耗比的追求，暴露了傳統光學收發器設計的侷限，迫使我們從分離式元件轉向單一整合系統。共封裝光學技術（CPO）成為業界的解決方案，這種架構將晶片重新定義為同時具備處理與光學I/O功能的引擎。
（圖片來源：「Molex莫仕連接器」微信公眾號）
超大型資料中心正面臨效能瓶頸，傳統的晶片到端口連接方式對於吞吐量和可擴展性造成了結構性的限制。預計到2030年，全球對資料中心容量的需求將會是現在的三倍以上，這使得這項挑戰更加嚴峻。
業界的解決方案是共封裝光學技術（CPO）這是一種全新的架構，將光學輸入/輸出（I/O）直接與晶片整合，從而解決距離問題。但這種直接的方式又帶來了一系列圍繞熱管理和可維護性的新工程障礙。這種新架構是否可行，現在取決於能否掌握應對這些核心問題的系統級方法。
一、為什麼可插拔光學技術正逐漸逼近其極限
在AI龐大的運算能力需求下，成熟的前面板可插拔光學架構已經接近其物理極限。傳統光學收發器設計上固有的挑戰在於，信號必須從主機板上的專用積體電路（ASIC）經由有損耗的銅線傳輸到前面板模組，這期間需要跨越很長的電氣距離。在像448Gbps這樣的次世代速度下，為了讓信號能夠通過這條路徑，必須消耗大量電能來補償信號隨距離衰減的現象，而這些能量最終會以廢熱的形式散失。
龐大的運算能力消耗導致了「I/O功耗瓶頸」，這是一個重大的產業問題，移動資料所需的電力已經開始與處理資料所需的電力相當。這不僅推高了營運成本，也讓熱管理變得更加複雜。同時，可插拔模組的物理尺寸也對前面板I/O密度造成了嚴格限制。隨著資料傳輸速率的提升，前面板上可用來增加更多連接埠的物理空間正逐漸耗盡，導致面板上也出現了一個獨立但同樣致命的頻寬瓶頸。
二、共封裝光學技術與功耗效益
CPO將光學引擎與主處理器整合在同一基板上，重新定義了光學收發器的架構。這種緊密整合大幅縮短了電氣路徑，減少了推動訊號所需的電力。路徑縮短後，就不再需要高功率的重定時器和其他訊號調節元件來滿足長距離銅線傳輸的需求，這可以顯著降低光學I/O所造成的功耗。因此，CPO 解決了 I/O 功耗瓶頸和前面板密度限制的問題，顯著提升了用電效率和頻寬。
然而，這項整合本身帶來了兩個重大的工程障礙：
熱管理：由於雷射器直接放置在高價值的處理器旁邊，因此成為光學系統的主要熱源。
可維護性風險：因為元件故障，可能需要更換整個處理器封裝。
三、共封裝光學技術中的調變器取捨
CPO 的可行性取決於矽光子學。這是一種利用成熟的半導體製造技術，將光學功能整合到晶片上的技術。這個架構的核心元件是調變器，它將電氣數據編碼到光訊號中，這代表了一項重要的工程取捨。
兩種主要調變器技術之間的取捨非常明顯：Mach-Zehnder調變器（MZM）和微環調變器（MRM）。
Mach-Zehnder調製器非常穩定可靠，但其體積龐大，與CPO的密度目標相衝突。
② 微環調變器體積小巧，能效高，但對熱波動非常敏感。而當它被放置在靠近發熱的處理器時，這種波動又是無法避免的。
面對這樣的現實情況，業界主要企業做出了不同的決策。例如，Broadcom 似乎更傾向於使用 MZM，而 Nvidia 則為其 CPO 應用選擇了 MRM。
這兩種方法之間的衝突凸顯了一個關鍵訊息：熱管理是任何可行的CPO設計中必須克服的核心工程障礙。
四、外部雷射光源：CPO 的系統級解決方案
為了解決CPO核心的熱管理與可維護性挑戰，最有效的架構解決方案是採用外部雷射光源（ELS），將雷射器與CPO分離。Molex 已經完整實現這一概念，並率先推向市場，將 CPO 從紙上談兵變成實際可部署的現實。
1、解決熱能挑戰
外部雷射源互連系統（ELSIS）是一套完整的解決方案，實現高功率雷射器與處理器及光學引擎的物理分離。透過將雷射器置於獨立的可插拔模組中，直接解決了散熱的挑戰。這種設計將產生最多熱量的負載與高價值的處理器分離，從而簡化了熱管理。
2、降低可維護性風險
除了能解決散熱問題之外，模組化設計也支援雷射模組的現場便捷維護，進而降低了可維護性的風險。ELSIS 採用盲插介面，所有光學和電氣連接皆在設備內部完成，這樣可以避免因雷射器故障而必須更換整個處理器封裝等高成本的情況。
3、降低可維護性風險
這種整體方法所帶來的最終產品：ELSIS 是一套完整的預製系統，包括：
電氣與光學連接器
壓配外殼
可插拔模組本身
所有元件皆設計為一個有機的整體，支援可擴充且可靠的部署。
五、系統層級挑戰的系統層級方法
向CPO的轉型代表了設計理念上的重大演變，目的是為了應對系統性的熱管理與可維護性挑戰。若要充分發揮CPO的效能與效率，必須將雷射、光學元件以及互連視為一個整合的系統。
成功實施這個架構需要擁有在光學、電氣以及機械領域具備深厚專業知識的工程合作夥伴。因為任何一個領域的失敗都會影響整個系統。
（圖片來源：「Molex莫仕連接器」微信公眾號）
Molex ELSIS 體現了這種系統級的方法，降低了風險，並為新一代資料中心提供了不可或缺的可擴展架構。
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https://www.molex.com/content/dam/molex/molex-dot-com/en_us/pdf/datasheets/987652-9731.pdf?inline