545
华为《数据中心2030》报告中指出高算力芯片的IO带宽将越来越高，预计 2030 年，端口速率达 T 级以上。根据第三方的预测，2028年数据中心内将实现 100% 的全光化连接。
台积电表示，如果我们能提供一个好的硅光子集成系统，我们可以解决人工智能能源效率和计算能力方面的关键问题，这将是一个新的范式转变，我们可能正处于一个新时代的开端。
业界正在寻求异质集成和混合键合同时，也在研究以玻璃基板为代表的具有成本效益和改进性能的新材料以及 CPO 等新技术，以将先进封装提升到新的水平，满足下一代AI/HPC性能需求。
人工智能模型的爆炸式增长正在打破现有基础设施——传统的互连技术产生了数据瓶颈，迫使GPU和其他加速器闲置，限制了计算性能，增加了功耗并推高了成本。为应对高性能计算的趋势，支持超过GPU集群的速度，共封装光学（CPO）技术应运而生，通过在共同的封装基板上集成多个芯片，实现了光学引擎的集成。
共封装光学器件（CPO）的兴起在过去十年中，数据中心以太网交换机的容量从0.64Tbps 飙升至25.6Tbps，这得益于 64x 400Gbps或32x 800Gbps可插拔光收发器模块的采用。然而，这些高速模块在目前的外形尺寸内带来了重大挑战，问题包括所需的电气和光学连接器密度，以及不断上升的功耗。
CPO是异构集成领域的一个重要进步，其玻璃封装载板所用到的核心技术TGV，将硅光模块和CMOS芯片异构集成到一个封装基板上，这些方法充分利用了玻璃基板的独特特性，从玻璃基板边缘进行插拔互联，可降低功耗和成本，成为共封装光学器件 (CPO) 和集成光学的定制解决方案。
· CPO与CoWoS技术不同，当玻璃基板技术无需中介层时即可直接安装SoC和HBM晶片，这使得在更低的高度内安装更多晶片成为可能。
· 当玻璃通孔TGV技术作为中介层时是一种更便宜可靠的2.5D/3D方案。玻璃基板具有卓越的电气、机械和可靠性性能优于 Si 中介层可以在一个封装中连接更多晶体管，从而实现比目前使用的有机基板更大的可扩展性和开发更大的芯片系统级封装。
· CPO能够集成玻璃波导和玻璃通孔 （TGV），从而实现更高的互连密度并改进功率传输和信号路由。
· 相比之下玻璃基作为芯片封装载板具备更优的散热性，其在大功率器件封装和高算力数据中心服务器等领域具有一定的应用空间。
CPO共封装光学成为一匹黑马半道杀出，CPO器件中的光纤管理挑战，推动了带有波导扇出的玻璃基板封装基板和用于前面板布线的嵌入式 PCB 波导的发展。在光互连方面，玻璃基板和聚合物波导、扩展光束光学以及先进的对准和连接技术等方面的创新正在为高密度、低损耗和高成本效益的解决方案铺平道路，有利于构建下一代人工智能基础设施。
2013年，佐治亚理工学院封装研究中心实现了玻璃基板上的光电共封装。该系统采用150μm厚的玻璃载板，PIC、Driver、TIA元件倒装在玻璃载板上，光通过载板上的有机透镜射入载板背面的波导，再与光纤连接，通过在玻璃基板上开金属通孔产生电信号。
Ayar Labs作为是未来半导体的领导者之一，专注人工智能速度移动数据的光互连I/O解决方案。2024年Ayar Labs推出业界首款符合CW-WDM MSA标准的16波长光源，可驱动256个光载波，实现16 Tbps的双向带宽，这是人工智能工作负载所必需的带宽水平。
Ayar Labs这种下一代人工智能方案来自与康宁公司的合作。他们通过将Ayar Labs的TeraPHY光学I/O小芯片与康宁的玻璃基波导模块相结合。康宁的Glass Interposer封装方案中是玻璃通孔技术，在玻璃基板上刻蚀出孔洞，然后填充铜，用于高速信号与电源信号的传输。在2024年超算大会上展示了由SuperNova™光源驱动的4 Tbps光学I/O解决方案，实现了极低延迟的超高效数据传输，且无需前向纠错。他们联合推出基于玻璃基板的光电异质集成3D封装技术，利用玻璃基板可直接刻蚀光波导的特性，降低芯片出光难度，提高生产效率和良率，有力推进了光I/O商业化进程。
另外爱立信正在与Ayar Labs和康宁合作开发这种人工智能驱动的解决方案，作为他们未来移动系统技术探索的一部分。与爱立信共同开发融入Intel光电基板的光学和电学实现技术路径的人工智能驱动解决方案，为人工智能基础设施等领域提供了更强大的技术支持。
目前，Ayar Labs已获得由 Boardman Bay Capital Management 牵头的 1.3 亿美元额外融资，加上Advent Global Opportunities 和 Light Street Capital 领投的 1.55 亿美元融资，以推动其光学 I/O 解决方案的商业化。到2024年底，该公司的总融资额达到 3.7 亿美元，并将公司估值提高至 10 亿美元以上。参与融资的知名公司就涵括了当前最炙手可热的芯片三大巨头AMD Ventures、Intel Capital 和 NVIDIA ，其他新战略和金融投资者包括 3M Ventures 和 Autopilot。
以色列小型初创公司Teramount在硅光子学模块光纤耦合展开研究。2023年的方案中以晶圆级倒装芯片的方式安装在硅光子芯片上，主要组件是一个由光学元件组成的硅芯片，它使用自对准光学元件操纵光束，并通过玻璃基片将其聚焦到硅光子芯片上。硅光子模具有64个光子凸块和450个电子凸块。包括扇出玻璃中介层，光子插头，玻璃插入器和碰撞的SiPh模具。针对 CPO 和可插拔硅光子学用例量身定制。
2023 年，康宁试验了含有光波导的玻璃基板，以实现光电共封装。玻璃基板的核心组件包括玻璃通孔 (TGV) 、SiN 波导、用于将 PIC 耦合到 SiO 2波导的绝热耦合器和光纤连接器，玻璃基板顶部集成了 RDL 层，以在芯片之间建立高速电通道。TGV 连接器用于电源传输和接地。TGV 和 RDL 可在组装的 IC 和印刷电路板之间实现电子扇出。在同一基板上对所有高分辨率线路进行薄膜处理，简化了制造和组装，与有机基板上的 2.5D 硅夹层或嵌入式多模互连桥接配置相比，有可能降低总体封装成本。此外，在玻璃顶面下方集成平面离子交换（IOX）光波导的玻璃基板提供了一个战略性定位的光学接口，允许组装的 PIC 直接瞬时耦合以实现更低的损耗。
全球大部分硅光器件上采纳康宁玻璃基板技术。不仅有支持垂直高密度互联的TGV基板，还有支持硅光芯片量产的光学接口。要是通过他们独有的玻璃技术，将光互连和电互连集成在玻璃中，通过离子交换（IOX）波导和薄膜金属化实现，支持硅光子倒装芯片直接组装到玻璃基板，实现低成本组装和低损耗光纤连接，支撑CPO及Chiplet CPO，目标直接瞄准102.4T的交换机。
在2024年玻璃基板CPO 102.4T 方案中，康宁带玻璃通孔TGV的玻璃基板热稳定性好，机械应力小，表面平整度高可以加工出精细的金属导线RDL和micro bump。目前可以实现10/10um 的铜线/间距，此时对应的最大Cavity深度可以到140um，支持多层RDL。假如RDL层数比较少，Cavity深度不用那么大的话(＜50um)，可以实现5um的Cu线宽间距。TGV的开窗宽度100um，最窄的地方为45um，pitch可以做到150um。
在不久以后，康宁会将采用玻璃做光电基板，采用玻璃基波导来代替硅实现射频信号互联和垂直TGV通孔以降低光学互联损耗。这不仅写入了康宁的项目报告，也融入了Intel的光电基板的光学和电学的实现技术路径。
Fraunhofer IZM研究组认为基于玻璃基板的光子集成系统是解决带宽增大、通道数变多的核心技术。在Fraunhofer IZM的混合光子集成中，以具有电气馈通的金属化玻璃中介为基础3D集成有源电子和光子元件，采用玻璃真空封装/密封，满足（硅）光子封装对更高数据传输速率的要求。
为推动玻璃芯基板技术发展，IZM正在组建玻璃面板技术小组，会联合众多合作公司贯穿整个玻璃芯基板工艺流程链，将相关技术应用到集成面板再分布层（RDL）生产线，可实现大面板尺寸加工(510×515mm)、进行设计可靠性分析，并与成员透明合作，成员涵盖材料、工艺、过程控制以及客户等各方面角色。
三星先进封装团队预知HBM 进一步发展可能会遇到的瓶颈以及解决方案。目前三星表示，采用硅光子技术实现 HBM 内存与逻辑部分的互连，可实现更快的速率和更好的能效。三星预设了两种互连架构，一种类似现有结构，但使用光子中介层实现互连；另一种直接将逻辑部分和 HBM 分离，用硅光子通信连接两部分。从三星目前积极部署玻璃基板技术预测，以上方案中不排除将TGV作为中介层的战术部署。三星计划在2027年推出一体化、CPO集成的AI解决方案，旨在为客户提供一站式AI解决方案。三星还投资硅光子学公司 Celestial AI ，目前完成了1.75 亿美元 C 轮融资。
大摩预测ASIC（定制化AI芯片）将在未来几年内超过 GPU 的增长速度，并有可能在四到五年内占据云 AI 半导体市场 30% 的份额。ASIC 专为特定 AI 任务设计，可以针对特定算法和模型进行优化，从而获得比通用 GPU 更高的性能。有机基板在ASIC封装中的应用面临诸多挑战，而玻璃基板的出现给行业带来了新的希望。
麻省理工学院将光学引擎与交换机专用集成电路（ASIC）集成在同一封装上的CPO器件代表了行业的重大转变。在其CPO方案中玻璃基板波导为集成光学器件提供了一种前景广阔的解决方案，在尺寸稳定的基底上实现低损耗的光学和电气互连。玻璃封装基板上的 PIC 倒装芯片示例，封装表面的离子交换玻璃波导与蒸发光耦合互连，封装与印刷电路板之间通过玻璃通孔 （TGV） 电气互连。
如今，台积电已经成立玻璃基板技术团队，也在积极布局硅光子领域，或将实现硅与光电的跨界整合。面对传统电信号互联在干扰、速率、能耗等方面的缺点逐渐显现，台积电表示，其正开发的三维立体光子堆叠技术 COUPE（紧凑型通用光学引擎），采用了 SoIC-X 芯片堆叠先进封装，将电路控制芯片叠放在硅光子芯片顶部，整合为单芯片光学引擎。未来目标或可能通过使用TGV技术实现光信号互联，更能满足 HPC 和 AI 应用对大带宽无缝互联的需求。台积电计划在2025 年完成将COUPE 技术用于小尺寸可插拔设备的技术验证，并于2026 年推出基于CoWoS 封装技术整合的共封装光学（CPO）模块，玻璃技术将是他们尝试的备选方案。
2024年12月台积电完成CPO与半导体先进封装技术整合，其与博通共同开发合作的CPO关键技术微环形光调节器（MRM）已经成功在3nm制程试产，代表后续CPO将有机会与高性能计算（HPC）或ASIC等AI芯片整合。
业界分析，台积电目前在硅光方面的技术构想主要是将CPO模组与CoWoS或SoIC等先进封装技术整合，让传输信号不再受传统铜线路的速度限制，估台积电明年将进入送样程序，1.6T产品最快2025下半年进入量产，2026年全面放量出货。
英特尔已验证通过玻璃基板设计增强光学传输信号的CPO技术，提供最高性能和最可靠的光学连接解决方案。在OFC2024光纤通信大会上，英特尔的集成光子解决方案部门展示了业界最先进和首款完全集成的光学计算互连(OCI)和玻璃基板的小芯片。OCI小芯片利用了英特尔的硅光子技术，硅光子集成包括玻璃基板、片上激光器和光放大器以及电子IC。也可以与下一代CPU、GPU、IPUs和其他片上系统(SOC)集成封装并运行实时数据。数据方面，OCI的小芯片旨在支持64个通道的32G数据传输，可支持高达每秒4Tbps的双向数据传输，传输距离可达100米，重要的是，该技术与PCIe5.0兼容。而支持新兴800G和1.6T应用的下一代200G通道pic正在开发中。
至于如何青睐玻璃基板，英特尔称赞玻璃基板的耐高温、平整度、机械稳定性以及超高的互联密度。同时，英特尔也在解决玻璃通孔最棘手的问题，如其脆弱的热应力表现，玻璃是刚性体，很容易受力产生裂纹。Intel采用新的处理方式，一是增大玻璃的热膨胀系数，通过盐分掺杂可提高膨胀系数，二是增加射频柔性缓冲层，吸收应力，再一个就是取消工型布局，换做I型孔，避免降温过程铜的收缩压力过大。
Intel除了向世人发布下一代芯片的封装基板技术，将采用玻璃基板提高射频带宽外，还公开其专利技术即硅光芯片采用玻璃TGV基板、EMIB技术、玻璃光接口，实现玻璃体的光接口、电互联和电互联的集成作为下一代硅光芯片封装工艺。除了玻璃基板本身，英特尔引入FoverosDirect混合键合，为CPO通过玻璃基板设计利用光学传输的方式增加信号。由于这些设计的灵活特性能够无缝集成光学互连，可实现超大尺寸封装和小芯片集成，并具有非常高的组装良率，强大的高容量平台出货量超过800万张。
2022 年，IBM Research 和 Coherent 联手开展 MOTION 项目 ，该项目专注于创建在单个芯片上集成多个波长的紧凑型光学模块。该模块采用尺寸为 1.64 mm × 4.64 mm 的芯片。它没有在电子芯片内集成重定时功能，因此可以有效地服务于低延迟应用场景。电子芯片、VCSEL 和电力输送 (PD) 芯片采用倒装技术固定在玻璃基板上。。在最大速度下，MOTION 收发器的功耗为 4 pJ/bit，考虑到两端的电连接器。这比 800 G OSFP (FR4) 模块低得多，准确地说是其五倍。使得整个系统的可靠性提升了1000倍，带宽达到800Gbps（16x50Gbps）。IBM的VCSEL CPO各方面的性能优于HP、Fujitsu和Furukawa竞争对手。
Ephos 正在全力开发玻璃光子芯片，他们在9月获得一轮 850 万美元的种子融资。Ephos 正从传统的硅半导体制造转向玻璃基板来构建光子集成电路，在意大利米兰启动了一个大型研究和制造工厂，这是全球首个玻璃基量子光子芯片设计和生产工厂。Ephos 在米兰新开设的 53,000 平方英尺工厂将作为该公司的中央制造和研发中心。
2024年4月欣兴科技股份有限公司发明公开了一种封装结构，包括电路板、共封装光学元件(CPO)基板、专用集成电路(ASIC)组件、玻璃中介层、电子集成电路(EIC)组件、光子集成电路(PIC)组件和光纤组件。CPO基板配置在电路板上，ASIC组件配置在CPO基板上。玻璃中介层配置在CPO基板上，包括上表面、下表面、腔体和至少一个玻璃通孔(TGV)。EIC组件配置在玻璃中介层的上表面上，与玻璃中介层电连接。PIC组件配置在玻璃中介层的腔体中，与玻璃中介层电连接。光纤组件配置在玻璃中介层的下表面上，与PIC组件光连接。
2024年11月，深圳大学发表了用于 2.5DCpo 的高速晶圆级 Tgv 中介层。8英寸晶圆级 TGV 中介层的开发，重点介绍了其在 CPO 应用中的潜力。TGV 中介层采用激光诱导深蚀刻 (LIDE) 和金属化工艺制造，带宽为 110 GHz，支持 128 Gbaud 开关键控 (OOK) 信号互连，并通过模拟和实验方法进行了验证。该研究强调了 2.5D 封装的可行性，即利用倒装芯片技术将驱动器和电吸收调制激光器 (EML) 芯片集成到 TGV 中介层上。光电联合测试证实了 EML 的运行可行性，实现了 -0.07 dBm 的光输出功率。这项研究展示了高性能光通信系统 TGV 中介层技术的进步。
2024年11月，云天半导体多年来深耕玻璃基封装技术的工艺研发，在24年H1季度，云天的光电共封装已实现研发技术上的突破。该项目与上海交通大学、深圳大学等机构通力合作，成功将玻璃晶圆级光电转接板和光电器件进行集成。此款先进的TGV转接板采用EIC/PIC 2.5D CPO技术封装方案厚度为230微米，表面平整度小于1.2微米，深宽比为4:1，支持5层RDL结构。该结构还采用60微米深的挖槽设计，能够精确对准光纤阵列，并支持电芯片的倒装焊封装以及EML、SOA、硅光和铌酸锂等光芯片的植球封装，实验证明，通孔和RDL布线的带宽均超过110 GHz，以此为基础，云天同步进行设计及开发关于CPO的另外一种封装方案，以EIC+PIC堆叠与玻璃转接板的上下面的形式，进一步达成小型化，高集成度的三维集成方案， 为未来的高速光电器件封装提供更加丰富可靠的解决方案。
