$罗博特科(SZ300757)$ 《英伟达的下一代CPO产品》
最近大家对于英伟达CPO话题的关注度越来越高，今天就来简单介绍一下英伟达的下一代CPO产品。
我们知道，随着Serdes传输速率的提升，传统可插拔光模块的方案因为要通过多个铜线通道且距离较长，从而会导致信号损耗（见下图）。因此改变光模组的放置位置，便是市场提出的下一代解决方案，将光模组集成为光引擎，并将其与计算芯片封装在一起，就是Co-Packaged Optics （CPO）的概念。
这里笔者要帮读者理清一个误解，英伟达接下来在明年要推出的第一款CPO产品并不是大家期盼已久的CPO连接的system rack（见下图），而是一款Infiniband （IB）交换机。
我们由以下英伟达最新的产品路线图可知（见下图最下面一排switch section），公司将于4Q24推出一款Quantum 3400 X800的IB交换机。这款交换机的传统可插拔光模块版本将在今年年底开始量产。而下图中所没有显示的是，它还有计划出一款隐藏的CPO版本，将于3Q25开始量产。这便是英伟达的第一款将会投入量产的CPO产品。这款CPO版本的Quantum 3400 X800 IB交换机其实从去年年底便开始进行研发，并且已经向客户展示过一次了，所以肯定会推出市场。在IB交换机之后，英伟达也计划将于2026年推出CPO版本的Spectrum4 Ultra X800以太网交换机。
下面让我们来仔细看一下这款CPO版本的Quantum 3400 X800 IB交换机的外观：这是一款4U高度的交换机，总共有六排，每排则有24个MPO接线口（Multi-fiber Push On，一种标准化的光纤连接器），每个接线口支持800G，总计144个800G端口。此外，该设备左下方有18路外置的可插拔光源模组（ELS module），右下方则是调试接口、管理接口、串口和LED指示灯等（见下图一）。其设计为纯液冷系统，电源位于后端中央位置，两侧则分别为进冷水管和出热水管（见下图二，蓝色部分为进冷水接口，红色部分为出热水接口）。
接下来笔者来介绍一下这款CPO版的Quantum 3400 X800 IB交换机里面的结构：
Q3400 X800 CPO交换机里面有四颗28.8T的交换机芯片（总共115.2T的交换能力），但四颗交换机芯片之间并不用直接通信，而是采用交换机架构中的多平面技术（multi-plane topology）。所谓多平面技术，即每一根交换机外面的光纤从MPO口（Multi-fiber Push On）连进来之后，会用光纤分纤盒（shuffle box）将其信号拆分成四路并分别连接到四个不同的交换机芯片（即四个独立的交换平面）上，从而将信源切割成最小单元。这种架构允许多个独立平面同时运行（因此被称为multi-plane），最终在CX8网卡端进行数据汇聚。
换句话来说，英伟达的CX8网卡会将接收到的数据拆分成四部分，每部分分别进入不同的交换机芯片进行处理和转发，不需要额外的统筹机制，因为每个数据子流都是独立处理并最终在网卡端合并的。相比于传统交换机的单芯片方案，这种多平面架构可以有效地扩展单层网络设备能够支持的端口数量。
在CPO交换机内部，位于可插拔光源模组（ELS module）里面的CW laser通过无源透镜和薄膜滤波器，将信号直接传输到光纤（Fiber Array），再从旁边拉到交换机面板上的MPO接线口。这种方式相当于在两个光纤之间进行中继，直接发出信号（见下图）。下面示意图中的上半张图显示的是英伟达CPO交换机目前使用的方案，即switch芯片和光引擎封装在同一个substrate上。在这之后的下一代产品上英伟达则会采用下半张图的方案，把switch芯片和光引擎放在同一个interposer上，从而实现wafer level CPO （即CoW）:
而所谓光引擎，我们可以简单理解为一种集约化的光模块。通过封装成光引擎，可以将多个（比如4或8个）传统光模块集成为一个物理上的引擎，这些引擎和交换机芯片封装在同一个基板上（或未来封装在同一个interposer上），直接将光电转换后的信号传递到交换机芯片近旁，从而减少所需的物理空间，并提高集成密度。笔者在之前文章里展示了台积电光引擎的概念图：
英伟达Q3400 X800 CPO交换机里面每颗交换机芯片是28.8T，而进来的光纤每一条是800G （即0.8T），所以一颗交换机出去需要28.8/0.8=36个通道，一个光引擎handle 4个通道（相当于handle 4个800G光模块），所以一个交换机芯片周围要配36/4=9个光引擎。一颗switch芯片配9个光引擎虽然看上去与台积电的概念图不符（上图中为1配8），但实际上这种不对称的布局也很常见，例如一些高速计算芯片的一侧要连接HBM，另一侧要连接光I/O，就会导致不对称的布局。
最后，英伟达 CPO 供应商有哪些？已知的组成部分包括：激光器、FAU、光引擎、芯片层面的基板和 packaging 供应商
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