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Junior_新趨勢_CPO共同封裝技術.pdf
- 3. 資料來源 :
• 光模組為光纖通信的核心元件。有鑒於光纖通信在技術面與需求面的雙重推動，使光模組深具成長潛力，同時也刺激
光模組技術革新。
• 傳統可插拔式光模組在訊號傳輸速度超過 200G 時會面臨到訊號損失超過容忍值的問題。
• CPO 藉由將電子積體電路跟光子積體電路進行共同封裝，大幅降低了電訊號傳遞距離，降低了資料傳輸耗能的同時，
也提升了資料傳輸速度的上限。
• CPO 技術目前掌握在交換器大廠，各廠技術領先領域不同，目前尚未標準化。
• CPO 目前進展上主要面臨技術本身難度高以及與導入市場挑戰大等兩種困境，導致此種技術仍未能廣泛運用於現今高
科技產品之中。
• AI 伺服器為未來 CPO 最為看好的應用領域，也是近期加速 CPO 發展的關鍵；而 5G/6G 通訊、自駕車聯繫等應用也
將受惠於 CPO 技術演進而提升效率與穩定性、並且加強節能效果。
結論
3
- 6. 資料來源 :
• 光模組是由外殼組件、光學次模組和電子次模組組成：
1. 外殼組件：市場上以鋅合金外殼為主流, 部分搭配不銹鋼沖壓件. 肩負著光電組件保護, 以及兩個介面的接合功能.
第一個介面是系統端的電子連接器; 第二個介面是光纖端的對外互連。
2. 光學次模組（optical subassembly, OSA）：光學次模組為光纖模組的光電轉換核心，包含發射光學次模組
（TOSA）與接收光學次模組（ROSA），TOSA 用於將發送的電訊號轉換為光訊號；ROSA 則是將接收的光訊號
轉換為電訊號。
3. 電子次模組（electrical subassembly, ESA）：PCB 電路板用以銜接系統端的電子信號, 並經由 Driver 驅動 IC
將信號轉成電流信號，並驅動 TOSA 中的雷射發射出相應速率的調製光信號；反向則是將 ROSA 的收光信號，經
經轉阻放大器（TIA）和限幅放大器（LA）轉回電子信號，傳達回系統端。
光模組由外殼組件、光學次模組和電子次模組組成
6
曙曜科技股份有限公司
圖 1-3：光模組內部圖
圖 1-2：外殼組件 (左)、光學次模組 (中)、電子次模組 (右)
- 7. 資料來源 :
• 隨著光通信技術持續創新，以及網路應用的發展，使得全球光模組市場快速增長：根據 Light counting 預計，光模組市
場 2021 ~ 2025 年 CAGR 為 11%，預測 2025 年全球光模組市場將達到 113 億美元。
• AI 技術與雲端計算蓬勃發展，全球網路流量急遽上升，對網路性能要求提升，帶動光模組需求：全球資料中心 IP 流量
由 2016 年 6.8 ZB 成長至 2021 年 20.6 ZB， CAGR 為 25%。2021 年全球資料中心光模組市場規模為 43.77 億美元，
預測至 2025 年將增長至 73.33 億美元，CAGR 為 14%，佔整體光模組市場的 65%。
• IEEE 通信協會發布的研究報告，光模組為 5G 通信的十分重要的一環，其成本約佔 5G 網路總成本的 50% 至 70%：在
5G 通信中，光纖在通信業者的廣域網路之間傳輸 5G 信號。2022 年全球 5G 光模組市場規模為 13.24 億美元，預計
2023 ～ 2030 年 CAGR 為 29.9%。
技術面與需求面雙重推動光模組市場成長
7
LightCounting、中泰證券、Cisco、gitnux.com
圖 1-5：全球資料中心光模組規模預測（億美金）
圖 1-4：全球光模組市場規模預測（億美金）
CAGR：11% CAGR：14%
註：1 Zettabyte (ZB) 約為 1 TB 的十億倍。2009年，全世界資料量總和約為 0.8 ZB。
- 8. 資料來源 :
• 擴展帶寬：隨著雲端計算、大數據、AI 等技術快速，光模組需要提供更高的帶寬來傳輸大量的數據。40G、100G、
200G、400G，目前正朝著 800G、1.6T 甚至更高的帶寬發展。
• 高集成化程度： 集成化設計可以減小模組的尺寸，滿足緊湊型設備佈局，達成高速、高密度、低功耗的優勢。
光模組發展趨勢：增強傳輸能力，提升器件集成化
8
ase.aseglobal.com
圖 1-6：光模組與乙太網路通道發展時間線 圖 1-7：光模組發展演進圖
- 10. 資料來源 :
• 可插拔式光模組為目前市場上主要解決方案：可插拔式光模組自 1995 年提出後，歷經了多次產品迭代，目前技術發展
成熟，單位的成本較低，此外，可插拔式光模組有可熱插拔的特性，使其在設備運行時無需斷電即可插入或拔出，使其
容易對單一的零件進行升級及維修，也因此成為市場上主要的解決方案。
• 可插拔式光模組持續朝向更快的傳輸速度邁進，從 1995 年發展至今，傳輸速度已提升超過百倍。
目前光模組多使用可插拔式光模組
10
自行整理、IEEE
名稱 提出時間 傳輸速度
GBIC 1995 < 1 Gbps
SFP 2006 < 10 Gbps
SFP-DD 2018 < 100 Gbps
QSFP / QSFP-DD 研發中 400~1200 Gbps
表 2-1 : 可插拔式光模組演進 圖 2-1：可插拔式光模組 SFP-DD
- 11. 資料來源 :
• 電訊號傳播的路徑可分為 ASIC 到基板，再導到 PCB 板，透過上面的銅線傳遞至光收發模組。而電的傳導因成本考量，
多是由銅作為介質，電訊號要從交換器到光收發模組轉傳出去勢必會有一定損耗。
• 隨著傳輸速度的提升，訊號的每單位長度損失能量也隨之提升。能量損耗代表訊號可能沒辦法在終點被成功地接受並解
讀，甚至是產生失真的情況，以傳統的可插拔式模組而言，當訊號傳輸速度上升至 200G 時，訊號的損失將會超過容忍
範圍（20dB/m），顯然無法面對未來動輒 1.6T，3.2T 的傳輸速度。
在傳輸速率提升下，可插拔式模組缺點逐漸顯現
11
Broadcom
圖 2-2：可插拔式光模組構造示意圖 圖 2-3：可插拔式光模組訊號路徑之損失狀況
Bump to BGA
Ball Trace Loss
PCB Trace
Loss
Connector
Loss
Paddle Card
Trace Loss
dB
- 12. 資料來源 :
• 為了解決前述的訊號減損的問題，光通訊業界於近年提出 Co-packaged Optics (CPO) 共同封裝光學元件技術，CPO 技
術將電子積體電路 EIC 和光子積體電路 PIC 封裝在同一個載板，形成共同封裝，讓光模組能夠更接近中間的晶片。
• CPO 技術解決了可插拔光學元件產生的一些挑戰，包括功耗、頻寬、連接埠密度及散熱管理等，其目標是讓電-光轉換
過程盡可能接近運算/交換器或 ASIC ，以實現更高的頻寬與能源效益。
共同封裝光學元件（CPO）技術
12
EETime、工研院
圖 2-4：插拔式 / CPO 架構比較 圖 2-5：CPO 封裝實體圖
- 13. 資料來源 :
• 降低傳輸過程之能量損耗：由於將光模組和晶片共同封裝，可以省去電信號在 PCB 板上之傳輸距離，其佔據總傳輸過程
損耗的約 1/3，此舉將顯著將低資料再往返晶片的過程的能量損耗。
• 解決上一代產品散熱問題：可插拔式光模組之散熱方案多為散熱矽脂搭配氣冷散熱，在長時間重複插拔過程中，導熱矽
脂容易脫落或移位，將造成散熱效率不佳。但在 CPO 封裝方式，除了較少有插拔的狀況發生，因為光模組跟晶片位置
臨近，也可以依賴晶片自身之散熱系統，若發展成熟，有望提升散熱效率。
• 資料傳輸能量損耗降低，及散熱效率的提升，預估 CPO 共可以省下約 30% ～ 50% 的能量消耗。
CPO 優勢：降低資料傳輸之耗能
13
工研院、Broadcom、世強先進
圖 2-5 : 可插拔模組示意圖
- 14. 資料來源 :
• 減少訊號損失，提升資料傳輸速度上限：訊號減損幅度會隨著傳輸速度的提升而快速成長。而 CPO 因降低了電訊號傳
遞距離，在傳輸速度提升時，並不會使訊號大幅度損失。因此可以突破先前傳輸速度 200G 時所遇到的瓶頸，能夠去應
對之後的 800G 及 1.6T 等更快的傳輸速度。
• 提升元件密度及資料傳輸量：將光模組與晶片共同封裝能夠有效將兩者放在更近距離的位置，從而降低空間的使用，在
同樣的空間下，用 CPO 技術能夠在同樣空見下容納更多的光學和電子元件，連結阜的密度也從而提升資料傳輸量達 8
倍。
CPO 優勢：解放資料傳輸限制
14
TEKTRONIC、華泰證券
圖 2-6：光模組演變
- 16. 資料來源 :
• CPO 產業為一種封裝技術，在供應鏈的拆解上以晶片生產、光學元件等為上游，代工廠為中游，資料中心設備為下游。
• 上游：包含交換器 IC 廠（提供 CPO 技術）、外部光源、PCB、光纖材料等，以技術最為重要。
• 中游：ODM、OEM 封裝代工開始部分由中、日、台廠處理。
• 下游：出貨給大型資料中心廠商，目前以 Meta 及微軟最積極佈局。
• 產業趨勢：（1）舊有交換器廠未必具備 CPO 封裝技術，因此在新技術研發突破會是各廠競爭關鍵。
（2）PCB 、ELS 等配件在新技術使用下有更換或提升效能等需求。
CPO 產業鏈分析：技術研發由上游掌握
16
圖 3-1：CPO 交換器供應鏈
Yole Intelligence
元件製造商 ODMs, OEMs 終端需求者
交換器 IC 封裝
CPO 光學模組
ELS 模組
PCB
盒內光纖
ASIC 晶片/CPO光
學模組整合
PCB 與其他元件整合
終端需求應用
（目前以資料中心為主）
技術革新 / 代工廠改變
- 17. 資料來源 :
• 商業結盟：在晶片廠確認 CPO 技術可行性下，開始選擇中游代工廠，加速量產及確保產品良率，上中下游商業整合態
勢明顯，為 CPO 產業目前現況，例如：亞馬遜於 2020 年開始部署由 Marvell 製造的交換 ASIC；Facebook 在 2021
年底宣佈了第一批使用 Cisco Silicon One ASIC 的交換機； Google 正在測試 Intel 製造的交換器。
• 產品初期量少：儘管 CPO 技術能使各容量的交換器效能提升，在產量不高的環境下，以高階交換器產品為主，應用在
25.6T 以上的產品線，也避開與舊有低階插拔交換器產業鏈的供給衝突。
• 產業鏈形成與發酵時間：51.2T 產品為因應更快速度及更高效能，會是未來使用 CPO 技術的主要產品，量產及發酵時
間預估在 2024 至 2025 年。
產業鏈競爭趨勢以晶片廠為首整合
17
圖 3-2：各交換器晶片廠整合狀況
Yole Intelligence
圖 3-3：交換器晶片廠目前產品
Broadcom
Tomahawk
Cisco
Silicon One
Marvell
Teralynx
Nvidia
Spectrum
Production 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024
TH3
12.8T
TH4
25.6T
TH5
51.2T
Q200
12.8T
G100
25.6T
T7
12.8T
T10
51.2T
S3
12.8T
S4
51.2T
TH4
25.6T
- 18. 資料來源 :
• 產品：Tomahawk 4 為業界導入 CPO 應用的首例；2023 推出 Tomahawk 5，核心為五奈米晶片，搭載了六個 Arm 處
理器，目前數據顯示，一台新的 Tomahawk 5 交換器可以有效地取代 48 台 2014 年代的 Tomahawk 1 交換器。
• 供應鏈及終端需求整合：Broadcom 負責提供 Tomahawk 交換晶片和矽光集成光引擎器件，定制設備將由銳捷網路完
成設計、製造和測試驗證，眾達本次將負責供應遠端雷射模組 (RLM) 及外部光源 (ELS) 零件，目前騰訊宣布將應用於未
來數據中心基礎架構。
Broadcom：最先推出 CPO 交換器，有效改善功耗
18
圖 3-4：Broadcom 插拔式交換器耗能損失隨傳輸量增加上升
Broadcom
表 3-1：Broadcom 在 CPO 技術應用後取得成果
優勢 數據
電源消耗量 下降 30%
光學元件成本 下降 40%
積架密度 提高 50%
- 19. 資料來源 :
• 遠程光源技術：在傳統的可插拔式光模組器件中，所有光模組的子組件都位於光模組內部，隨著 CPO 技術使光學元件
逐漸靠近 ASIC，光學元件的配置成為一個關鍵的決策。雷射裝置對高溫極為敏感，若放置在較為熱環境中（例如靠近
非常熱的交換 ASIC），其故障率將增加。將雷射裝置從高功率的 ASIC 移到系統機箱內較涼的位置，能帶來穩定性上的
改進。
• 產品：Cisco 的 CPO 交換器配備了矽光子學的光學磚，可驅動 64 個 400G FR4 介面，同時也基於搭載 Cisco 25.6T
CPO 模組的 Silicon One G100 ASIC。 Cisco 亦開發了在矽光子集成電路上執行此複用器/解複用器功能的方法。
Cisco Systems：發展遠程光技術，促進標準化
19
Cisco
優點 說明
減少累贅主動元件使用
雷射裝置能夠被被動地冷卻到較低的溫度，使其能夠
更有效地產生光功率/瓦特，降低系統功耗，而無需像
熱電冷卻器（TEC）這樣的主動元件。
增加維修可能
雷射裝置可以從機箱面板上進行更換。由於雷射裝置
是光學子系統中最不可靠的部分，使光源能夠從系統
前面板進入，以便插入和取出，確保 CPO 系統具有與
傳統系統相似的平均故障間隔時間。
提供標準化可行性
透過對遠程光源的外觀和設計進行標準化，業界可以
允許多個供應商進行採購。Cisco 在 OFC 展示中是首
個使用工業標準外觀的系統演示案例。
圖 3-5：Cisco 51.2T/800G 耗能佔比 表 3-2：遠程光源技術說明
- 20. 資料來源 :
• 使用可插拔裝置改善良率：Intel 在面對良率問題上，考量到一體性封裝目前在檢測及維修上成本過高，透過自身矽光子
技術的領先，在插拔裝置內使用矽光子技術，而連接器的光學損耗為亦能有效降低，性能優於一般的邊緣耦合器指標。
採用該可插拔光學連接器，可以先對矽光芯片進行測試，篩選出優良的晶片進行封裝，降低了封裝成本，大大提高 CPO
模組的良率，解決了CPO 技術落地的一個難點問題。
• 產品：Intel 12.8 Tb/s 的 Barefoot Tofino 2 交換器，這個矽光互連平台採用了 1.6 Tbps 的光子引擎，可以提供 4 個
400G Base-DR4 的介面。Intel 透過將光學端口置於同一封裝內的交換器附近，利用一體封裝的光學元件，可以降低功
耗，同時繼續保持交換機頻寬的擴展能力。
• Intel 可能策略：對於 CPO 技術是否能使用在 CPU、GPU 的集成，可能 Intel 佈局方向。
Intel：使用可插拔裝置增加生產良率
20
圖 3-6：可插拔裝置
EDN China 電子技術設計
圖 3-7：插拔裝置光學損耗值僅為 1.41 dB
光電轉換裝置端 ASIC晶片端
- 22. 資料來源 :
• 由於耐高溫與體積小等特點，量子點技術是目前最適合用於 CPO 中雷射與光模組之間集成之技術；然而相較於量子井
技術來說，量子點技術仍存在著調幅帶寬太小、輸出功率較低等問題，需要在量子點技術能被大量使用前被解決。
• 此外，散熱問題亦是 CPO 應用的一大挑戰。以目前技術進展來看，就算使用可以降低較多功耗的 XSR SerDes 代替 LR
SerDes，即使已經以最大風速冷卻，環境溫度仍然會過高致使晶片無法正常工作。
雷射與光模組集成、散熱問題為主要技術挑戰
22
圖 4-2：Serdes 連接示意圖
Springer Link、知乎、材料世界網、ChipEstimate.com
圖 4-1：0D~3D 量子技術及其吸收光譜示意圖
- 24. 資料來源 :
• 目前 400G 光收發模組已經量產，且 800G 產品也開始推出，可插拔式光收發模組仍因發展成熟、成本低、通用性高等
優點被大多數廠商採用；而 800G 的可插拔式光收發模組技術成熟，CPO 技術基於上述的挑戰，預計將在下一世代後
（資料傳輸速度達 1.6T、3.2T）才會被企業大規模採用。
• 隨著 AI 的商用化，將加速 CPO 技術的發展；根據 Light Counting 研調，預計 2022～2027 年 CPO 技術將以 CAGR
19% 成長 ，並在 2027 年成為市場主流。
未來有望隨 AI 加速成為下一世代交換器主流技術
24
圖 4-5：CPO 應用於交換器佔比預估
Light Counting、富果、台新投顧
營收（百萬美元）
圖 4-4：交換器晶片演變路徑
CAGR 19%
- 25. 資料來源 :
• 5G 設備的版本升級將隨著 5G 應用擴大，也因應付大量 IC 運算能力，而更加耗電。目前新一代通訊技術發展主要追求
的是增加連網速度跟提高穩定性，新的 5G 基地台與網路設備的用電量只會急劇增加，不利於有限電力下的長時間運作。
• 跨國電信標準組織 3GPP（第三代合作夥伴計畫），預計最快於 2023 年下半年或 2024 年開啟對於 6G 相關規格的研制
工作，並將於 2026 年或 2027 年開始進行 6G 標準規範，2028 年後推動 6G 技術商品化。
• CPO 設備節電原理是透過光波導技術，將伺服器內運算 IC 晶片的數據資料直接以光的訊號從 IC 封裝基板上傳送到光纖。
採用光波導技術除了可以在資料中心節電，毫米波的波導技術也可能用在超耗電的 5G 毫米波基地台天線部分，甚至是
未來 6G 通訊的太赫茲波天線，更需要採用太赫茲波的波導技術才有可能實現量產。
應用於 5G、6G 通訊達成節能效果
25
圖 4-6 : 波段光譜
經濟部技術處、材料世界網
圖 4-7: 光波導技術示意圖
- 26. 資料來源 :
• 自駕車操控的構成條件，主要是感測器、定位、計算控制和精密的圖資等部分；在感測器主要是攝影機、超音波、毫米
波雷達和光達等 4 種。然而，現在的自駕車光達仍面臨著可能接受到不同訊號以及訊號之間互相干擾導致系統誤判的問
題，而使自駕車的安全性仍有所疑慮。
• 下一代自駕車透過尋找車體外部發射光和反射訊號之間的差異來克服這些問題，但複雜性的增加使得這種技術成本大幅
提升；而若將雷射與光放大器整合成光子積體電路（PIC），再經由 CPO 技術進行封裝，將能在提升穩定性之外，亦將
成本壓低。
自駕車透過 CPO 技術可提升互聯效能並節省成本
26
表 4-1：感測器分類比較
Intel、Ansys、自行整理
超音波 毫米波 攝影機 光達
偵測角度 120 10-70 30 15-360
偵測距離 很近 遠 遠 遠
環境影響因素 風、沙塵 不易受影響 光線 雨天
溫度穩定度 弱 強 中 強
車速側量 中 強 中 強
缺點 受環境影響大
精度較光達低，
對行人反射波弱
受天氣、光線、
視野影響大
成本高、天氣
差時穿透力差
圖 4-8：Intel 乙太網交換器進程預估
- 28. 資料來源 :
• 光模組為光通信的核心元件。有鑒於光通信在技術面與需求面的雙重推動，使光模組深具成長潛力，同時也刺激光模
組技術革新。
• 傳統可插拔式光模組在訊號傳輸速度超過 200G 時會面臨到訊號損失超過容忍值的問題。
• CPO 藉由將電子積體電路跟光子積體電路進行共同封裝，大幅降低了電訊號傳遞距離，降低了資料傳輸耗能的同時，
也提升了資料傳輸速度的上限。
• CPO 技術目前掌握在交換器大廠，各廠技術領先領域不同，目前尚未標準化。
• CPO 目前進展上主要面臨技術本身難度高以及與導入市場挑戰大等兩種困境，導致此種技術仍未能廣泛運用於現今高
科技產品之中。
• AI 伺服器為未來 CPO 最為看好的應用領域，也是近期加速 CPO 發展的關鍵；而 5G/6G 通訊、自駕車聯繫等應用也
將受惠於 CPO 技術演進而提升效率與穩定性、並且加強節能效果。
結論
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