Optische verbindingen voor AI-datacenters: van insteekbare optische modules tot co-packagede optica

Optische interconnecties voor AI-datacenterszijn snelle dataverbindingen die licht gebruiken om informatie te verplaatsen tussen GPU's, switches, racks en datacentersystemen. Ze zijn van belang omdat grote AI-clusters meer nodig hebben dan pure rekenkracht: ze hebben ook behoefte aan energie-efficiënte databewegingen met hoge bandbreedte, lage latentie en energie-efficiëntie over veel apparaten.

De afgelopen jaren concentreerden de meeste discussies over de AI-infrastructuur zich op GPU's. Die focus is begrijpelijk, omdat GPU's de parallelle rekenkracht bieden die nodig is voor grootschalige training en gevolgtrekking. Maar een GPU-cluster is niet alleen een stapel versnellers. Het is een gedistribueerd computersysteem, en gedistribueerde systemen worden niet alleen beperkt door hoe snel elke processor kan rekenen, maar ook door hoe snel gegevens tussen processors kunnen bewegen.

Wanneer duizenden GPU's samenwerken, wordt de interconnect onderdeel van het computersysteem zelf. Als het datapad tussen GPU's, switches en racks het niet bij kan houden, besteden dure accelerators meer tijd aan wachten en minder tijd aan computergebruik. In die zin is optische interconnectie geen perifeer netwerkonderwerp. Het is een van de fysieke lagen die bepaalt of grote AI-systemen hun geïnstalleerde rekenkracht effectief kunnen gebruiken.

AI-training is de gemakkelijkste plek om het probleem te zien. Een groot model kan enorme aantallen parameters bevatten, veel verder dan wat een enkele GPU efficiënt kan bevatten of verwerken. De werklast is verdeeld over veel accelerators. Elke GPU berekent een deel van de taak en wisselt vervolgens tussentijdse resultaten uit met andere GPU's. Die uitwisseling kan herhaaldelijk plaatsvinden tijdens de training, waardoor er veel oost-westverkeer binnen het AI-cluster ontstaat.

Inferentie zag er vroeger ook eenvoudiger uit. In een eerdere generatie AI-toepassingen was het redelijk om je voor te stellen dat een vraag door een klein aantal GPU's werd afgehandeld. Moderne inferentie evolueert in de richting van complexere redeneringen, langere context, retrieval, gebruik van tools, planning en agentische workflows. In deze gevallen moet het systeem mogelijk meer computerbronnen over meer stappen coördineren. Het resultaat is dat gevolgtrekkingen ook een interconnectiegevoelige werklast kunnen worden, vooral wanneer de implementatie veel gebruikers op grote schaal bedient.

De praktische les is duidelijk: zodra AI-workloads vereisen dat veel processors als één systeem fungeren,GPU-interconnectbandbreedtewordt onderdeel van de prestatievergelijking.

Training en gevolgtrekking leggen verschillende druk op het netwerk, maar zijn beide afhankelijk van de gegevensbeweging.

Tijdens de training wisselen GPU's gradiënten, activeringen, parameters en tussentijdse gegevens uit. Hoe meer gedistribueerd het model en hoe groter het cluster, hoe kritischer synchronisatie en gegevensuitwisseling worden. Tijdens inferentie hangt de druk af van het ontwerp van de werklast. Eenvoudige verzoek-antwoord-inferentie legt misschien niet zoveel nadruk op het netwerk als op training, maar redeneren, ophalen en agentische uitvoering in meerdere stappen kan de communicatie tussen rekenknooppunten, opslagsystemen en acceleratorgroepen verbeteren.

Dit is de reden waarom optische verbindingen centraal zijn geworden in de AI-datacenterarchitectuur. De uitdaging is niet langer alleen hoe je snellere chips kunt bouwen. Het gaat er ook om hoe je die chips kunt verbinden op een manier die de bandbreedte hoog houdt, de afstand beheersbaar, de latentie laag en het stroomverbruik onder controle houdt.

Koper heeft nog steeds een belangrijke plaats in AI-systemen. Voor zeer korte elektrische paden binnen een server, chassis of strak geïntegreerde kast kan koper efficiënt, onderhoudsvriendelijk en kosteneffectief zijn. Het probleem doet zich voor wanneer dezelfde op koper gebaseerde aanpak wordt doorgevoerd in de richting van hogere rijstrooksnelheden, langere verbindingen en grotere clustertopologieën.

Bij hoge snelheid worden koperverbindingen geconfronteerd met drie verbonden beperkingen: signaalintegriteit, bereik en vermogen. Hoe hoger de datasnelheid, hoe moeilijker het wordt om schone elektrische signalen over afstand te verzenden. Passief koper is doorgaans beperkt tot korte links. Actieve koperoplossingen kunnen het bereik vergroten door elektronica toe te voegen, maar die elektronica voegt vermogen, warmte, kosten en ontwerpcomplexiteit toe.

SerDes-technologie heeft zeer snelle elektrische interfaces mogelijk gemaakt, maar hogere signaalsnelheden maken koperverbindingen steeds gevoeliger voor verlies, reflectie, overspraak en egalisatiecomplexiteit. Naarmate AI-systemen zich in de richting van snellere elektrische rijstroken bewegen, wordt het effectieve bereik van koper steeds meer product- en architectuurafhankelijk.

Dit betekent niet dat koper verdwijnt. Het betekent dat koper steeds vaker wordt gebruikt daar waar de sterke punten nog steeds overeenkomen met de fysieke afstand: korte, strak gecontroleerde elektrische paden. Zodra de verbinding zich verder dan een paar meter verplaatst, of zodra veel verbindingen dicht bij elkaar moeten werken in een systeem op rackschaal of clusterschaal, worden optische verbindingen aantrekkelijker.

Het belangrijkste onderscheid is niet ‘koper versus vezel’ in abstracte zin. Het echte onderscheid is de linkafstand en de systeemlaag.

In een kast kunnen GPU's en schakelchips via zeer korte elektrische paden communiceren. In systemen zoals GPU-kasten met hoge dichtheid kunnen veel interne verbindingen elektrisch blijven omdat de fysieke afstand kort is. Maar koppelingen tussen racks, kasten en kasten en op datacenterschaal creëren een ander probleem. Die afstanden zijn langer, het aantal verbindingen is hoger en de kosten van signaalverlies worden veel zichtbaarder op systeemniveau.

Koper kan nog steeds worden ontwikkeld voor specifieke toepassingen op korte afstand. Glasvezel wordt aantrekkelijk wanneer de architectuur een hoge bandbreedte vereist over langere of meer gedistribueerde verbindingen.

Interconnect-stroom is niet slechts een regelitem in een componentspecificatie. Op AI-datacenterschaal kunnen duizenden of miljoenen hogesnelheidslijnen de verbindingskracht tot een belangrijke ontwerpbeperking maken. Actieve koperverbindingen, retimers, egalisatie en thermisch beheer verhogen allemaal de druk op het systeem.

De laatste technische vraag is niet alleen of een link kan werken. Het gaat erom of die link op schaal kan werken, binnen het vermogen en de thermische grenzen van een dichte AI-faciliteit. Dit is een van de redenen waarom optische verbindingen van een netwerkonderwerp naar een AI-infrastructuuronderwerp zijn verschoven.

Koper versus glasvezelinterconnect in AI-datacenters

Glasvezelverbindingen gebruiken licht in plaats van elektrische stroom om informatie over te dragen. Dat geeft ze verschillende voordelen in AI-datacenters: hoge bandbreedte, groot bereik, immuniteit voor elektromagnetische interferentie en betere geschiktheid voor dichte hogesnelheidsverbindingen over afstand.

De waarde van glasvezel wordt vooral duidelijk wanneer het systeem meerdere racks, meerdere kasten of meerdere datahallen moet verbinden. Elektrische kopersignalen verslechteren met de afstand en snelheid. Optische signalen kunnen veel verder reizen met behoud van hoge datasnelheden, waardoor glasvezel een natuurlijke oplossing is voor gedistribueerde AI-clusters.

WDM, of golflengteverdelingsmultiplexing, maakt het mogelijk dat meerdere optische golflengten tegelijkertijd door dezelfde vezel reizen. Elke golflengte kan een afzonderlijke datastroom transporteren. In praktische termen verandert WDM één vezel in meerdere parallelle optische kanalen.

Dit is een van de redenen waarom optische verbindingen anders schalen dan koperen verbindingen. In plaats van voor elk verkeerspad een afzonderlijke fysieke geleider toe te voegen, kunnen optische systemen de capaciteit vergroten door golflengtekanalen, hogere modulatieformaten en snellere optische componenten te combineren.

WDM-transmissie met meerdere golflengten in één enkele vezel

De juiste technische keuze hangt af van afstand, bandbreedte, kosten, onderhoudsgemak en thermisch ontwerp. Koper blijft bruikbaar in korte gecontroleerde verbindingen. Glasvezel wordt steeds belangrijker naarmate AI-clusters zich uitbreiden.

Ainplugbare optische transceiveris een module die elektrische signalen omzet in optische signalen en optische signalen weer omzet in elektrische signalen. De ene kant wordt elektrisch aangesloten op een switch, netwerkinterface of moederbord. De andere kant is aangesloten op glasvezel.

In AI-datacenters zijn inplugbare optische modules vooral belangrijk voor verbindingen tussen kasten, racks en schakelaars. Ze zijn meestal niet de belangrijkste technologie voor elke korte link in een GPU-kast. Dat onderscheid is van belang omdat het een veelvoorkomend misverstand voorkomt: optische modules vervangen niet automatisch alle interne GPU-bedrading.

In een GPU-kast met hoge dichtheid kan de afstand tussen GPU's, schakelaars en kaarten slechts enkele centimeters tot een klein aantal meters bedragen. Elektrische verbindingen kunnen daar nog steeds zinvol zijn, vooral als het systeem is ontworpen als een nauw geïntegreerde eenheid.

Wanneer verkeer de kast verlaat en naar een ander rack, een andere switch of een andere kamer gaat, veranderen de verbindingsvereisten. De afstand wordt langer, het aantal links groeit en optische modules worden aantrekkelijker.

Een handige manier om over de hiërarchie na te denken is:

De vraagketen is eenvoudig. Meer GPU's vereisen meer systemen. Meer systemen vereisen meer kasten. Meer kasten vereisen meer snelle verbindingen tussen kasten en schakelaars. Naarmate het aantal van deze verbindingen toeneemt, neemt de vraag naar optische modules toe.

Dit is de reden waarom optische transceivers nauw verbonden zijn geraakt met de groei van de AI-infrastructuur. De module is niet waardevol omdat het een op zichzelf staande box is. Het is waardevol omdat het het fysieke netwerk mogelijk maakt waarmee grote GPU-clusters als één systeem kunnen functioneren.

Een inplugbare optische transceiver ziet er van buiten eenvoudig uit, maar combineert intern optica, elektronica, halfgeleiders, verpakking en nauwkeurige uitlijning. De belangrijkste componenten zijn de laser, modulator, fotodetector, DSP en optisch koppelsysteem.

Binnenin een insteekbare optische transceiver

De laserdiode levert de lichtbron voor het optische signaal. Het draagt ​​niet noodzakelijkerwijs de gegevens op zichzelf. In plaats daarvan produceert het een stabiele optische drager die kan worden gemoduleerd.

Het materiële systeem doet ertoe. Silicium is uitstekend geschikt voor digitale logica, maar het is geen efficiënte lichtzender. Optische lasers gebruiken gewoonlijk III-V-samengestelde halfgeleiders zoalsInPofGaAs, omdat deze materialen veel beter geschikt zijn om licht te genereren.

Er verschijnen verschillende lasertypen in optische modules en aanverwante systemen:

De verschuiving van traditionele inplugbare optica naar siliciumfotonica en CPO verandert de rol van de laser. In veel inplugbare modules kunnen de laser en modulator nauw geïntegreerd worden. In ontwerpen in CPO-stijl kan de laser buiten de behuizing zitten als een externe lichtbron, terwijl modulatie plaatsvindt in de silicium-fotonica-chip.

De modulator is de component die een lege optische drager omzet in een gegevensdragend signaal. Het neemt de elektrische datastroom en verandert het optische signaal zodat enen en nullen kunnen worden weergegeven door lichtintensiteit of fasegedrag.

Er zijn twee belangrijke modulatiebenaderingenEAMEnMZI.

Een elektro-absorptiemodulator verandert hoe sterk een materiaal licht absorbeert wanneer er spanning op wordt toegepast. Het kan worden geïntegreerd met een laser om een ​​EML te vormen, die veel wordt gebruikt in conventionele optische hogesnelheidsmodules.

Een Mach-Zehnder interferometermodulator werkt anders. Het splitst licht in twee paden, verandert de fase in één pad en combineert het licht vervolgens opnieuw. Afhankelijk van de faserelatie kan het gerecombineerde signaal sterker of zwakker worden. Deze benadering is belangrijk in siliciumfotonica omdat deze kan worden geïmplementeerd met behulp van siliciumgolfgeleiderstructuren.

Aan de ontvangende kant moet het optische signaal weer worden omgezet in een elektrisch signaal. Dat is de rol van de fotodetector.

De fotodetector maakt gebruik van het foto-elektrisch effect: binnenkomende fotonen wekken dragers in het halfgeleidermateriaal op, waardoor stroom ontstaat. Een goede fotodetector moet snel reageren, voldoende stroom genereren uit een zwak optisch vermogen en de ruis laag houden.

Drie parameters zijn vooral van belang:

In de siliciumfotonica wordt germanium vaak gebruikt voor fotodetectie, omdat silicium zelf niet effectief is voor het absorberen van gewone telecomgolflengten zoals 1310 nm en 1550 nm. Dit is een voorbeeld van hoe siliciumfotonica nog steeds afhankelijk is van zorgvuldige materiaalintegratie, en niet alleen van puur silicium.

DeDSPis de digitale signaalverwerkingsmotor in veel snelle optische modules. Het helpt het signaal te coderen, egaliseren, herstellen en opschonen.

Bij hoge snelheden verzendt de optische link niet alleen eenvoudige aan-uitpulsen. Moderne modules gebruiken vaakPAM4, wat twee bits per symbool vertegenwoordigt met behulp van vier signaalniveaus. PAM4 verbetert de bandbreedte-efficiëntie, maar maakt het signaal ook gevoeliger voor ruis en vervorming. De DSP helpt bij het herstellen van de beoogde gegevens uit dat onvolmaakte signaal.

De routekaart voor de snelheid van optische modules is verschoven van 400G naar 800G, waarbij 1,6T-implementatie en ontwerpen met hogere snelheid de industrie in de richting van snellere elektrische en optische rijstroken duwen. De exacte architectuur hangt af van het moduleontwerp, het aantal rijstroken, het modulatieschema en de systeemvereisten, maar de trend is duidelijk: elke generatie legt meer druk op de DSP, optica, verpakking en testproces.

De laatste kritische functie is optische koppeling. Licht dat op een chip wordt gegenereerd of verwerkt, moet met zeer hoge precisie de vezel binnendringen. Een single-mode vezelkern is slechts ongeveer 8 à 9 micrometer breed, dus koppeling is een uitlijningsprobleem op micronschaal.

Twee veel voorkomende benaderingen zijn stootkoppeling en roosterkoppeling.

Butt-koppelingstuurt licht rechtstreeks van de chiprand naar de vezel. Het kan efficiënt zijn, maar afstemming is veeleisend.Roosterkoppelinggebruikt een patroonstructuur op het chipoppervlak om licht in of uit een golfgeleider te leiden. Het kan bij sommige ontwerpen meer uitlijningstolerantie bieden, maar het introduceert ook golflengte- en efficiëntieoverwegingen.

Op productieschaal is de uitdaging niet slechts één keer de optische koppeling te demonstreren. De uitdaging is om dit herhaaldelijk, betrouwbaar en economisch in grote volumes te doen.

Een optische module kan worden opgevat als een tweerichtingstranslatiesysteem. Bij verzending worden elektrische gegevens omgezet in optische gegevens. Bij ontvangst worden optische gegevens weer omgezet in elektrische gegevens.

Elektrisch-optisch-elektrische signaalstroom

In de zendrichting stuurt de GPU of switch-ASIC een elektrisch signaal naar de optische module. De DSP conditioneert het signaal. De modulator legt de informatie op het licht van de laserbron. Koppelingsoptiek lijnt dat licht vervolgens uit in de vezel.

In de ontvangstrichting verlaat het licht de vezel en wordt op de fotodetector gericht. De fotodetector zet het optische signaal om in stroom. De DSP herstelt vervolgens de gegevens, corrigeert vervorming en stuurt een bruikbaar elektrisch signaal terug naar het systeem.

Deze elektrisch-optisch-elektrische conversie vormt de basis van inplugbare optische verbindingen.

Optische modules combineren twee halfgeleiderwerelden die niet op natuurlijke wijze samenvloeien.

De eerste is de digitale wereld van silicium. DSP's zijn op silicium gebaseerde IC's. Ze vertrouwen op een geavanceerd CMOS-ontwerp, digitale signaalverwerking en snelle elektrische interfaces.

De tweede is de optische wereld van samengestelde halfgeleiders. Lasers, veel modulators en sommige fotodetectoren zijn afhankelijk van materialen zoals InP en GaAs. Deze materialen worden gebruikt omdat ze licht efficiënt kunnen genereren, moduleren of detecteren op manieren die silicium niet kan.

Silicium DSP versus InP optische chipproductie

Een DSP is in wezen een digitale chip. Het behandelt symbolen, codering, correctie, egalisatie en signaalherstel. De barrières zijn de algoritmische complexiteit, het snelle gemengde signaalontwerp en de geavanceerde siliciumimplementatie.

Dit ligt dichter bij de wereld van CPU's, GPU's, switches en netwerk-ASIC's dan bij de wereld van laserproductie. De ontwerpteams, processtromen en productiepartners zijn daarom anders dan die voor optische halfgeleiderapparaten.

InP- en GaAs-optische apparaten behoren tot een ander procesecosysteem. De wafers zijn kleiner, de materialen gedragen zich anders, de proceschemie is anders en de optische prestaties zijn sterk afhankelijk van epitaxie, defectcontrole en apparaatstructuur.

Een toonaangevende siliciumgieterij is niet automatisch een toonaangevende InP-laserfabrikant. De uitdagingen op het gebied van apparatuur, recepten, materiaalkennis en opbrengst zijn verschillend. Dit is een van de redenen waarom de toeleveringsketens voor optische verbindingen meer gedistribueerd zijn dan GPU-toeleveringsketens.

Het substraat is het basismateriaal waarop het optische apparaat is gebouwd. Voor op InP gebaseerde lasers is de materiaalkwaliteit van cruciaal belang, omdat defecten het optische apparaat dat erboven groeit kunnen aantasten.

Epitaxie is het proces waarbij functionele lagen op het substraat groeien. In laserapparaten kunnen deze lagen kwantumputstructuren omvatten, waar elektronen en gaten recombineren om fotonen uit te zenden. Laagdikte, samenstelling en doping moeten streng worden gecontroleerd. Kleine afwijkingen kunnen de golflengte verschuiven, de efficiëntie verminderen of de betrouwbaarheid schaden.

Dit is de reden waarom de productie van samengestelde halfgeleiders niet simpelweg ‘chipproductie met een ander materiaal’ is. Het is een gespecialiseerde productiediscipline voor optische apparaten.

Siliciumfotonica PICtechnologie maakt gebruik van op silicium gebaseerde structuren om licht op een geïntegreerde chip te geleiden, moduleren, splitsen, combineren en detecteren. Het is belangrijk omdat het optische functies dichter bij de productie- en verpakkingswereld van geavanceerde elektronica brengt.

Een siliciumfotonische PIC betekent niet dat elke optische functie alleen uit silicium bestaat. Silicium kan licht geleiden en compacte golfgeleiders, modulators en integratieschema's ondersteunen. Maar silicium is geen efficiënte lichtbron, dus externe of afzonderlijk geïntegreerde III-V-lasers blijven belangrijk.

Siliciumfotonica maakt vaak gebruik van SOI, oftewel silicium-op-isolator, als platform. In vereenvoudigde bewoordingen biedt SOI een siliciumlaag die van het substraat wordt gescheiden door een isolerende oxidelaag. Het hoge brekingsindexcontrast tussen silicium en siliciumdioxide helpt het licht binnen compacte siliciumgolfgeleiders te houden.

Deze golfgeleiders werken als optische draden op de chip. Ze sturen licht tussen modulators, splitters, koppelaars, detectoren en andere optische structuren.

De belangrijkste beperking is de lichtgeneratie. Silicium is nuttig voor het manipuleren van licht, maar is inefficiënt als lasermateriaal. Dat is de reden waarom siliciumfotonicasystemen vaak afhankelijk zijn van op InP gebaseerde laserbronnen.

Deze taakverdeling staat centraal in de CPO-architectuur. De siliciumfotonica-PIC kan dicht bij de ASIC zitten en golfgeleiding, modulatie en detectie verzorgen. De laser kan als externe lichtbron buiten de verpakking blijven en continu licht naar de fotonische chip sturen.

Samenverpakte optiek, ofCPO, brengt optische functies dichter bij de switch-ASIC, GPU-aangrenzende computerarchitectuur of elektronica op pakketniveau. In plaats van elke optische conversiefunctie in een insteekbare module aan de achterkant van een systeem te plaatsen, integreert CPO optische motoren veel dichter bij de chip.

NVIDIA beschrijft zijn CPO-switchaanpakals vervanging van inplugbare zendontvangers door siliciumfotonica op dezelfde behuizing als de ASIC. Broadcom beschrijft op dezelfde manier zijn CPO Ethernet-switcharchitectuur als het integreren van optische motoren in een gemeenschappelijk pakket met de switch. Het technische doel is om de elektrische afstand te verkorten, de last van snelle elektrische signalering te verminderen en de energie-efficiëntie bij hoge bandbreedtedichtheid te verbeteren.

Een vereenvoudigde CPO-architectuur omvat vier hoofdblokken:

CPO-architectuur met Silicon Photonics PIC en externe laserbron

De architecturale verschuiving is de locatie van de optische interface. In een inplugbare module gaan elektrische signalen van de chip of het bord naar de module. In CPO komt de optische interface dichter bij het ASIC-pakket. Dat kortere elektrische pad is de belangrijkste reden waarom CPO aantrekkelijk is voor AI-netwerken met een zeer hoge dichtheid.

CPO elimineert lasers niet. Het verandert waar ze zitten en wat ze doen.

Externe laserbronnen kunnen continu licht leveren aan de siliciumfotonica-motor, terwijl ze buiten het heetste en meest complexe deel van het pakket blijven. Dit helpt bij het onderhoudsgemak en het thermische ontwerp. Als de laser buiten de verpakking wordt gehouden, kan deze worden behandeld als een vervangbare optische stroombron in plaats van als een onlosmakelijk onderdeel van het ASIC-pakket.

De laserbron is nog steeds vaak gebaseerd op III-V-materialen zoals InP. Siliciumfotonica kan optische routering en modulatie dicht bij de ASIC brengen, maar er is nog steeds een goede lichtbron voor nodig.

CPO mag niet worden opgevat als een universele vervanging voor insteekbare optica. De twee architecturen bedienen verschillende lagen van het datacenternetwerk.

De meer realistische toekomst is co-existentie. Inplugbare optica zal belangrijk blijven voor veel datacenterverbindingen. CPO zal groeien waar de bandbreedtedichtheid en de elektrische stroomdruk het grootst zijn.

De sterkste technische drijfveer voor CPO is niet dat het ‘nieuw’ is. Het is zo dat elektrische afstand op hoge snelheid steeds duurder wordt naarmate de bandbreedtedichtheid toeneemt. Door de optische conversie dichter bij de ASIC te plaatsen, wordt de lengte van het moeilijkste elektrische pad kleiner.

Dit kan de behoefte aan complexe elektrische hertiming verminderen, de signaalintegriteit verbeteren, het vermogen van de lagere verbindingen verbeteren en dichtere schakelsystemen ondersteunen. CPO vergroot echter ook het belang van optische verpakkingen, laserbronstrategie, thermisch ontwerp en testcomplexiteit.

Een inplugbare optische architectuur houdt de module fysiek gescheiden van de ASIC. Het elektrische signaal moet over het hele bord reizen om de module te bereiken. Bij zeer hoge snelheden vereist die afstand een zorgvuldig kanaalontwerp en vaak actieve signaalconditionering.

CPO wijzigt dit evenwicht. Door optische motoren in de buurt van de ASIC te plaatsen, wordt de elektrische afstand vóór de conversie naar licht verkleind. Het optische pad draagt ​​het signaal vervolgens over glasvezel, waar schaalvergroting op afstand gunstiger is.

Door de leverancier gerapporteerde CPO-prestatiecijfers zijn productspecifiek en moeten worden geïnterpreteerd binnen de context van elke switcharchitectuur. NVIDIA's openbare CPO-materialen beschrijven verbeterde netwerkveerkracht en duurzame applicatie-runtime vergeleken met op plug-in-transceiver gebaseerde ontwerpen.Broadcom stelt dat zijn Tomahawk 6 Davisson CPO Ethernet-switchbiedt 102,4 Tbps aan schakelcapaciteit en vermindert het energieverbruik van optische interconnecties met 70% vergeleken met traditionele plug-in oplossingen.

Deze claims zijn belangrijke signalen, maar ze mogen niet worden gegeneraliseerd naar ‘alle CPO-systemen leveren altijd hetzelfde voordeel op’. Het echte voordeel hangt af van de switcharchitectuur, het ontwerp van de optische engine, de linktopologie, het thermische ontwerp en de implementatieomgeving.

Optische verbindingen zijn afhankelijk van een keten van gespecialiseerde technologieën. Een tekort of opbrengstprobleem in één laag kan de beschikbaarheid van de uiteindelijke module of het uiteindelijke systeem beperken.

De supply chain kan in lagen worden begrepen:

Samengestelde halfgeleidersubstraten vormen het startpunt voor veel optische apparaten. InP en GaAs worden gebruikt omdat hun materiaaleigenschappen de opwekking en detectie van licht ondersteunen op manieren die silicium niet kan.

Substraten van hoge kwaliteit zijn essentieel omdat defecten zich kunnen voortplanten in apparaatlagen en de prestaties of betrouwbaarheid kunnen verminderen. Voor AI-datacenteroptiek is dit van belang omdat hogesnelheidsmodules en CPO-lichtbronnen stabiele, herhaalbare optische prestaties vereisen.

SOI-wafels zijn belangrijk voor siliciumfotonica omdat ze het platform bieden voor compacte optische golfgeleiders en geïntegreerde fotonische structuren. Ze zijn niet de enige factor in siliciumfotonica, maar ze vormen een fundamentele input.

Het belang van SOI neemt toe naarmate siliciumfotonica zich verplaatst van gespecialiseerde optische apparaten naar grootschalige datacenter-interconnect-architecturen.

De digitale IC-laag blijft essentieel. Zelfs nu CPO de rol van lange elektrische paden verkleint, hebben optische systemen nog steeds driver-IC's, besturingslogica en signaalverwerkingsintelligentie nodig. In insteekbare modules kan de DSP een van de meest complexe en dure componenten zijn. Bij CPO zijn sommige signaalverwerkingsfuncties mogelijk vereenvoudigd, maar de elektrisch-fotonische coördinatie blijft van cruciaal belang.

CPO wordt vaak omschreven als een optische technologie, maar het is ook een verpakkingstechnologie. De fotonische motor, elektrische IC's, vezelinterfaces, laserbron en thermisch pad moeten als één systeem samenwerken.

Testen is ook moeilijker dan in een puur elektrisch apparaat. Ingenieurs moeten zowel de optische als de elektrische prestaties valideren: optisch vermogen, koppelingsverlies, modulatiegedrag, ontvangergevoeligheid, signaalintegriteit, thermisch gedrag en verbindingsbetrouwbaarheid. Op grote schaal maakt dit verpakken en testen net zo belangrijk als chipontwerp.

Marktgegevens laten zien waarom optische interconnectiecapaciteit van strategisch belang is geworden, maar de technische casus hangt nog steeds af van de bandbreedtedichtheid, het energiebudget, het bereik, de haalbaarheid van de verpakking en de systeembetrouwbaarheid. Voorspellingen kunnen wijzen op vraagdruk, maar ze bewijzen niet dat elke optische architectuur met dezelfde snelheid zal opschalen.

LightCounting meldde dat de verkoop van optische transceivers en aanverwante productenbereikte 23,8 miljard dollar in 2025, een stijging van 55% ten opzichte van 2024. Die groei weerspiegelt de sterke vraag naar de inzet van datacenters en AI-infrastructuur, met name snelle Ethernet-optica en aanverwante producten.

Dit betekent niet dat elke categorie optische modules evenveel groeit. Het laat wel zien dat de optisch-elektrische grens een belangrijk investeringsgebied is geworden naarmate AI-clusters zich uitbreiden.

Goldman Sachs Research heeft dit voorspelddat de totale adresseerbare markt voor AI-netwerken in 2028 met negen keer zou kunnen toenemen tot 154 miljard dollar, waarbij CPO een groot deel van die kans zou kunnen bijdragen. Dergelijke cijfers kunnen het beste worden behandeld als op scenario's gebaseerde marktschattingen en niet als direct bewijs dat elke CPO-architectuur in hetzelfde tempo zal worden toegepast.

De technische conclusie is belangrijker dan het totale cijfer: naarmate AI-systemen dichter en meer gedistribueerd worden, stijgt de waarde van de interconnectielaag. CPO, siliciumfotonica, externe lasers, optische modules, vezels en verpakkingen worden allemaal belangrijker omdat ze direct in het pad van de AI-databeweging staan.

Optische verbindingen zijn van belang omdat AI-clusters gedistribueerde systemen zijn. Hoe meer GPU's en schakelaars een systeem gebruikt, hoe belangrijker gegevensbeweging wordt.

Koper blijft bruikbaar voor korte, gecontroleerde elektrische paden, maar het wordt moeilijker op te schalen over langere hogesnelheidsverbindingen. Glasvezel biedt bereik, bandbreedte, EMI-immuniteit en op WDM gebaseerde capaciteitsuitbreiding.

Inplugbare optische modules staan ​​nog steeds centraal in datacenternetwerken. Ze bieden een flexibele en bruikbare manier om racks, switches en systemen met elkaar te verbinden. Ze zullen niet verdwijnen simpelweg omdat CPO in opkomst is.

CPO is een architectonische verandering, niet alleen een kleinere optische module. Het brengt de optische conversie dichter bij de ASIC, vaak met behulp van siliciumfotonische PIC's en externe laserbronnen. De waarde ervan is het sterkst waar de bandbreedtedichtheid en de vermogensdruk het grootst zijn.

Siliciumfotonica vormt een brug tussen elektronica en optica, maar neemt de behoefte aan samengestelde halfgeleiderlichtbronnen niet weg. InP-lasers, SOI-wafels, fotonische integratie, koppeling, verpakking en testen blijven allemaal deel uitmaken van het systeem.

De toeleveringsketen voor optische verbindingen is gedistribueerd. Geen enkele technologielaag bepaalt het succes. Materialen, epitaxie, lasers, DSP's, siliciumfotonica, verpakkingen, testen, modules en glasvezelinfrastructuur moeten allemaal samen worden geschaald.

Optische verbindingen zijn snelle dataverbindingen die licht gebruiken om informatie te verplaatsen tussen GPU's, switches, racks en datacentersystemen. Ze helpen AI-clusters gegevens uit te wisselen over langere afstanden en hogere bandbreedtes dan koper efficiënt op schaal kan ondersteunen.

Glasvezel vervangt niet overal koper. Koper blijft nuttig voor korte interne links. Glasvezel wordt aantrekkelijker voor rack-to-rack-, switch-to-switch- en cluster-schaalverbindingen omdat het een groter bereik, hoge bandbreedte, EMI-immuniteit en betere schaalbaarheid biedt via optische multiplexing.

Een inplugbare optische zendontvanger omvat doorgaans een laserbron, modulator, fotodetector, DSP en optische koppelingscomponenten. Samen zetten deze onderdelen elektrische signalen om in optische signalen voor glasvezeltransmissie en zetten vervolgens ontvangen optische signalen weer om in elektrische gegevens.

Insteekbare optica zijn vervangbare modules die aan de systeemrand worden geïnstalleerd. CPO brengt optische motoren dichter bij het ASIC-pakket. Inplugbare optica geeft prioriteit aan onderhoudsgemak en flexibiliteit, terwijl CPO zich richt op kortere elektrische paden, een hogere bandbreedtedichtheid en een lagere vermogensdruk in geselecteerde verbindingen met hoge dichtheid.

Siliciumfotonica kan licht geleiden, splitsen, moduleren en detecteren, maar silicium is inefficiënt als lichtbron. InP-lasers zijn nog steeds nodig om optisch vermogen te leveren, vooral in architecturen waar een silicium-fotonica-PIC de modulatie en routering verzorgt, terwijl een externe laser continu licht levert.

Het is onwaarschijnlijk dat CPO plug-in optica voor alle datacenterverbindingen zal vervangen. De twee architecturen richten zich op verschillende lagen. CPO is geschikt voor optische integratie op chip-aangrenzende of switch-niveaus met hoge dichtheid, terwijl insteekbare optica nuttig blijven voor veel rack-, switch- en datacenterverbindingen.