波導技術於下世代通訊技術應用(上)：材料世界網

李文欽 / 工研院材化所

極端氣候造成停電的危機正隨著地球暖化漸趨擴大，有限電力下的備援無線通訊和使用節能的通訊設備，是高度依賴網路的社會需要採取的減災措施。共同封裝基板(CPO)技術是雲端企業擁抱的下世代節能網通技術，而光波導技術是讓CPO晶片組更容易安裝與維修的關鍵技術。文中介紹工研院累積許多年的光波導技術經驗，期待能與業界分享。

【內文精選】

前言

自從2019年末新冠病毒爆發之後，居家工作、串流影視、遊戲娛樂乃至三餐與日用品網購都讓人類更加依賴網路通訊。雲端業者與電信公司只能加速興建新的資料中心(Datacenter)，採購更多網路設備，加快5G基地台的建設來滿足大量增加的網路流量。Google很早就透過AI來改善機房供電和散熱的效率，降低資料中心用電；不過傳統節電的手段已經快到達極限。為了在用電壓力下興建更多的資料中心，臉書和微軟在2019年宣布一項共同合作計畫，一起推動採用CPO(Co-PackagedOptics)節電技術的網路設備標準化，協助網通硬體業者降低CPO產品成本並規劃在2023年開始正式採用。

CPO設備節電原理是透過光的波導技術，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。本篇文章內容則著重在探討網路設備導入CPO節電技術的優缺點、台灣業界支援CPO技術的現況，以及對下世代通訊技術的影響。

CPO技術可以節省多少電力？

讓網通設備業者天搖地動的CPO技術到底是有多好的節電效益？這是大家都很想知道，而圈內人卻很難給個簡單數字的申論題。解答前必須先講解資料中心運作的架構、伺服器的配置、高電力損耗等環節，再預測2023年時光波導(OpticalWaveguide)技術微型化和封裝製程的成熟度，才能估算出2023年採用CPO技術的伺服器可以節省多少電。然而，雲端業者並非想藉由全面換掉使用中的網通設備來節電，而是透過採用CPO技術降低下一代高速伺服器飆高的耗電量，讓新硬體可以直接使用既有機架的電力配置。亦即希望在相同用電下，逐步擴充並重點更新伺服器，讓資料中心運作效能升級為原來的2倍以上。後面將從技術面更詳細解釋CPO技術如何降低下一代伺服器的耗電量。

圖二、資料中心交換機IC和可插拔光收發器的效能進步歷程

CPO技術的發展與台灣企業的投入

在CPO技術竄紅之前，板上光學(On-Board Optics; OBO)技術已經發展了二十多年；將光收發器安裝在PCB上已經是很成熟的技術。早期在PCB上傳導高頻訊號需要選用昂貴的介電材料和增加功耗，在二十世紀末美國大力發展超級電腦階段就開始採用OBO技術提高晶片間資料傳遞速度，同時避免耗電量大幅增加。後來為了提高安裝和維修的便利性，也發展出可插拔的OBO裝置，如Avago (Broadcom) Micro/Mini POD(圖八)。但是初期在資料中心建構時，主要資訊流量是南北向，不像超級電腦需要進行IC間大量資料交換，同時間PCB平價材料電性也不斷進步，小型可熱插拔收發器(Small Form-factor Pluggable (SFP)Transceiver)配合PCB邊卡插槽的規格，就在容易維修更換光收發器的強烈需求下誕生。

在極端氣候威脅人類生存的大環境壓力下，超大規模資料中心在2020年底又已暴增到597座；發展CPO技術是否來得及讓全球資料中心減少碳排放，眼下主導權仍是在全球硬體設備商。Rockley Photonics的工程師在文獻中整理出光收發器因應耗電量問題，以及後續可能的解決途徑(圖九)。而在CPO技術可以量產…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。