CPO (التكامل البصري المُوحَّد) هي تقنية نقل ضوئي إلكتروني تدمج محرك الضوء مباشرةً على نفس لوحة التغليف مع الرقاقة، ويمكن تطبيقها في كل من الاتصالات بين الخزائن وفيما داخل الخزائن، لحل مشكلات عتبة النطاق الترددي، وتدهور الإشارة، ومشاكل التبريد التي تواجه مراكز البيانات التقليدية. مع الانفجار في الطلب على قوة الحوسبة الناتج عن الذكاء الاصطناعي، لم تعد البنية التحتية للشبكات التقليدية قادرة على مواكبة متطلبات النطاق الترددي في عصر الذكاء الاصطناعي التفاعلي، مما يجعل CPO اتجاهًا حاسمًا للتجاوز. تقوم شركات كبرى مثل NVIDIA وBroadcom بدفع حلول مفاتيح CPO بنشاط، لكنها تواجه حاليًا عقبات رئيسية تتعلق بعمليات التغليف المتقدمة، وإدارة الحرارة، والصيانة والإصلاح، والتوحيد القياسي. مقارنةً بمسارات تقنية أخرى مثل NPO وOIO وCPC وLPO وOCS، فإن CPO هي الحل الجيل القادم الذي يجب التغلب عليه، وستتركز القيمة الصناعية لدى شركات رقائق المفاتيح وشركات التغليف المتقدمة.

كاتب المقال، المصدر: دلفين ريسيرتش

منذ ظهور ChatGPT في نهاية عام 2022، أدى الذكاء الاصطناعي إلى خلق فرص صناعية فائقة في القطاع半導體، واحدة تلو الأخرى، وشركات بقيمة سوقية تريليونات الدولارات، من خلال قوة الحوسبة (GPU)، وقوة التخزين (التخزين)، وقوة التوجيه والتنسيق (CPU)...

إذا كان هناك قطاع واحد لا يزال ينتظر ظهور "إمبراطور" بقيمة سوقية تريليونية في بنية تحتية الذكاء الاصطناعي، فإن دلفين جون يرى أن الأفضلية الأكبر تتجه نحو الاتصال الفائق في عصر الذكاء الاصطناعي. إذا حلّت قوة الحوسبة مشكلة "ذكاء" الذكاء الاصطناعي، وحلّت قوة التخزين مشكلة "الذاكرة" الخاصة به، فإن قوة النقل ستتعامل مع كيفية جعل الذاكرة قصيرة وطويلة المدى تنتقل بسرعة صاروخية إلى مركز المعالجة.

أو باستخدام قول البابا AI هوانغ رينشون، مع تخفيف تدريجي لقيود الحوسبة والذاكرة، فإن الطاقة تظل صعوبة مستمرة في المرحلة العاشرة، والعقدة الأساسية التالية هي الاتصال عالي السرعة للشبكة في عصر الذكاء الاصطناعي، لأن بنية الشبكة التقليدية لعصر السحابة لا تستطيع مجاراة متطلبات عرض النطاق الترددي الناتجة عن تريليونات المعلمات النموذجية، وخبراء مختلطين (MoE)، والتفعيل المحلي في عصر الذكاء الاصطناعي التفاعلي.

في هذا المقال، سنستكشف نقل البيانات في عصر الذكاء الاصطناعي من خلال تقنية النقل الضوئي الكهربائي (CPO) التي تُستخدم تدريجيًا في سياق سرعة نقل شبكات الذكاء الاصطناعي. ينقسم بحث دلفين حول CPO إلى:

ما هو CPO، وهل يمكنه حقًا استبدال التوصيلات النحاسية التقليدية؟

ثانيًا، هل يمكنه استبدال وحدات الضوء القابلة للإدخال والإخراج السائدة حاليًا بالكامل؟

ثالثًا، كيف ستتغير هيكلية المنافسة بين الشركات في سلسلة التوريد العليا والسفلى ضمن هذا الاتجاه؟

في هذه المقالة، نقوم أولاً بتنظيم المسائل الأساسية للسلسلة الصناعية.

هذا تحليل مفصل

01 ما هو CPO؟

في بنية مراكز البيانات التقليدية، هناك مكون مهم يُسمى "وحدة الضوء"، ووظيفتها تحويل إشارة الضوء القادمة من الألياف إلى إشارة كهربائية تُنقل إلى مركز البيانات، أو تحويل الإشارة الكهربائية الناتجة داخل مركز البيانات إلى إشارة ضوئية ونقلها إلى الألياف، حيث تلعب دور "الجسر" و"المترجم" في نقل البيانات.

من حيث الوظيفة، يحتوي معمارية CPO (أي التوصيل البصري المشترك) على وظائف وحدات الضوء التقليدية، لكن هناك فارقان بارزان:

1. الهيكل مختلف

وحدات الضوء التقليدية قابلة للإزالة، وتشبه من الخارج رؤوس الكريستال على منفذ شبكة المنزل، لكن CPO مختلفة تمامًا، فهي تدمج محرك الضوء المسؤول عن التحويل الضوئي الكهربائي والرقاقة (وهنا رقاقة ASIC الخاصة بالمحول) مباشرة على نفس لوحة التغليف أو الطبقة الوسيطة.

2. تختلف تطبيقات الاستخدام

تُستخدم وحدات الضوء عادةً بين الخزائن (أي Scale-out)؛ بينما يمكن استخدام CPO سواء بين الخزائن أو داخل الخزينة (Scale-up). عند استخدامها بين الخزائن، فإنها تحل محل وحدات الضوء التقليدية، وعند استخدامها داخل الخزينة، فإنها تحل محل وصلات النحاس السائدة حاليًا.

الرسم التوضيحي: نموذج القابس التقليدي مقابل حل CPO

المصدر: GTC 2025، Dolphin Research

يمكننا أن نرى أن كلًا من NVIDIA وBroadcom قد حفزتا بشكل نشط حلول مفاتيح CPO الخاصة بهما مؤخرًا.

لماذا حظيت تقنية CPO بهذا القدر من الأهمية؟ لأن الطلب على قوة الحوسبة في مراكز البيانات يواصل الارتفاع، كما أن الطلب على عرض النطاق الترددي لنقل البيانات في مراكز البيانات يشهد نموًا هائلاً، كما أن مراكز البيانات تتجه نحو تطوير مجموعات حوسبة فائقة الضخامة، وفي هذه العملية، ستخلق تقنيات نقل البيانات التقليدية القديمة العديد من العقبات:

1. عقدة النطاق الترددي

في سيناريوات بين الخزائن، نظرًا لمساحة لوحة المفاتيح المحدودة في المفاتيح التقليدية، وصعوبة تقليل حجم وحدات الضوئية القابلة للإزالة التقليدية، فإن عدد المنافذ التي يمكن توفيرها من قبل مفتاح واحد محدود، ولا يمكنه دعم متطلبات عرض النطاق الترددي المتزايدة باستمرار.

يُدعم حاليًا وحدة قابلة للإزالة بحد أقصى عرض نطاق 1.6 تيرابت في الثانية، ويمكن لواجهة المُبادِل الواحدة دعم ما يصل إلى 51.2 تيرابت في الثانية، ومن المحتمل إطلاق وحدات بعرض نطاق 3.2 تيرابت في الثانية في المستقبل، مع دعم أقصى للمُبادِل يصل إلى 102.4 تيرابت في الثانية، وهو ما يقارب الحد الأقصى لوحدات الضوئية القابلة للإزالة.

2. عقدة سلامة الإشارة

في بيئة الخزائن، مع زيادة معدل النقل، إذا تم استخدام كابلات نحاسية تقليدية، فستواجه الإشارات الكهربائية تدهورًا وتشويهًا حادين أثناء النقل على مسافات طويلة، كما ستصبح مسافة النقل محدودة أكثر فأكثر.

حاليًا، يمكن للكابلات النحاسية دعم عرض نطاق ترددي يصل إلى 1.8 تيرابايت/ثانية (مثل كابلات NVLink النحاسية من NVIDIA)، ولكن المسافة محدودة بصرامة بـ 2 متر أو أقل، بينما تتزايد متطلبات عرض النطاق الترددي لكل وحدة معالجة رسومية نحو 3.6 تيرابايت/ثانية.

3. قيود التبريد واستهلاك الطاقة

مع زيادة معدل النقل، يرتفع استهلاك الطاقة في روابط الاتصال التقليدية بشكل كبير، كما يصبح التبريد أكثر صعوبة. نحن نعلم أن بناء مراكز البيانات في الولايات المتحدة يواجه حاليًا عقبات طاقية كبيرة، لذا فإن مشكلة استهلاك الطاقة ستؤدي إلى ضغوط تكلفة ملحوظة.

يمكن لـ CPO حل المشكلات المذكورة أعلاه بشكل جيد نظريًا، ووفقًا لـ NVIDIA، يمكن أن يزيد كفاءة الطاقة بمقدار 3.5 مرة بعد تطبيق CPO.

02 على وجه التحديد، ما هي سيناريوهات نقل البيانات في مراكز البيانات؟

هنا نقوم بتفكيك مسارات تقنية نقل البيانات لمركز البيانات في سيناريوهات ومراحل مختلفة:

الرسم البياني: أمثلة على التوسيع الأفقي والتوسيع الرأسي

المصدر: NADDOD، Dolphin Research

1. التوسيع، والذي يشمل الربط داخل الخزائن

تتعلق بشكل رئيسي بالاتصالات الداخلية داخل الخزانة، خاصة بين مكونات الخادم، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر الاتصالات بين المعالجات المركزية (CPU) والمعالجات الرسومية (GPU) وبطاقات الشبكة وذاكرة DDR والأقراص الصلبة.

حاليًا، تعتمد هذه الوصلات بشكل رئيسي على النحاس كوسيلة اتصال، بما في ذلك فتحات PCIe المتصلة بالوحدة المركزية ووحدة معالجة الرسومات وبطاقة الشبكة، فضلاً عن فتحات الذاكرة (مسارات النحاس على لوحة الدوائر المطبوعة)، وأسلاك SATA، وأنواع أخرى من الكابلات النحاسية. بينما قد تُعيد تقنية CPO تشكيل الحلول السائدة حاليًا.

2. التوسع الأفقي، والذي يشمل بشكل رئيسي توصيل الخزائن ببعضها البعض

تتعلق بشكل رئيسي بالربط المتبادل بين الخزائن أو الخوادم والمحولات.

يتطلب هذا الجزء من التوصيل استخدام الضوء كوسيلة اتصال، وحاليًا تعتمد الحلول الرئيسية على الألياف البصرية ووحدات الضوء القابلة للإزالة. كما أن CPO هو توجه مهم، وهو يتطور أسرع من سيناريوهات داخل الخزائن.

3. علاوة على ذلك، هناك الاتصالات بين مراكز البيانات وبين مراكز البيانات والخارج، وهي ليست محور نقاش هذا المقال.

من منظور تخطيط الشركات الكبرى، فإن CPO حاليًا موجه بشكل رئيسي إلى سيناريوهات بين الخزائن، لكنه قد يمتد مستقبلًا إلى سيناريوهات داخل الخزائن.

ما هي العقبات الرئيسية التي تواجهها CPO حاليًا في مرحلة الترويج الأولية؟

نضج تقنيات التパك المتقدمة

من الناحية التقنية الأساسية، يختلف CPO تمامًا عن الحلول التقليدية مثل وحدات الضوئية القابلة للإزالة. فالمكونات الضوئية والإلكترونية التقليدية لا تختلف كثيرًا من حيث تقنيات الإنتاج عن المكونات والوحدات الضوئية والإلكترونية الواسعة، لكن CPO يتطلب تغليف محرك الضوء على اللوحة أو الطبقة الوسيطة، ويعتمد بشكل رئيسي على تقنيات التغليف المتقدمة مثل CoWoS.

في الوقت نفسه، يختلف CPO عن التغليف المتقدم الذي نفهمه عادةً، لأنه لا يقتصر على دمج الدوائر المتكاملة الإلكترونية، بل يدمج أيضًا الدوائر المتكاملة الفوتونية، مما يتطلب دمجًا غير متجانس عبر تقنيات مثل تقنية COUPE الخاصة بـ TSMC.

المشكلة تكمن في أن تقنيات التパك المتقدمة المذكورة أعلاه تتسم بتعقيد تصنيع كبير، حيث تعتمد كل من نيفيديا وبرودكوم على طاقة تايوان سيميكوندكتور، لكن الطاقة محدودة؛ علاوة على ذلك، قد تواجه إمدادات المواد المطلوبة مثل أجهزة التوصيل الضوئي وأجهزة الترابط المختلط وأجهزة الاختبار وألواح ABF عوائق أيضًا.

بالإضافة إلى ذلك، فإن كفاءة الإنتاج لتقنيات التパك المتقدمة المذكورة أعلاه، خاصة التكامل غير المتجانس، لا تزال تتمتع بمساحة كبيرة للتحسين، مما يؤدي إلى تكاليف أعلى بكثير مقارنة بالحلول القابلة للإزالة. حاليًا، تعمل تايوان سيميكوندكتور مانوفاكتورينغ كومباني على تحسين كفاءة الإنتاج للتعبئة المتقدمة، لكنها تحتاج إلى وقت معين.

2. مشاكل الصيانة والتصليح

بالنسبة للحلول القابلة للإدخال التقليدية، فإن كونها "قابلة للإدخال" يجعل صيانتها وفحصها سهلة. لكن CPO مختلف تمامًا، حيث يتم تغليف وحدة الضوئية والإلكترونية مباشرة مع اللوحة الأساسية، أو الطبقة الوسيطة، وحتى الرقاقة، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في صعوبة الفحص والصيانة مقارنة بالحلول التقليدية.

لكن يمكن حل هذه المشكلات أعلاه، مثل تحسين معدل الخطأ المسموح به من التصميم، أو تخطيط فائض في مستوى التشغيل، إلخ.

3. مشاكل إدارة الحرارة

يؤدي التغليف الكثيف للضوء والرقاقة إلى ارتفاع ملحوظ في درجة الحرارة المحلية أثناء التشغيل، بل وقد يتجاوز حدود تحمل الليزر، لذا فإن إدارة الحرارة تمثل أيضًا مشكلة كبيرة. لحل هذه المشكلات، يجب تبني حلول تبريد أكثر كفاءة، لكن هذا ينطوي أيضًا على تكلفة إضافية.

4. مشكلة التوحيد

حاليًا، تُطلق شركات مثل NVIDIA و Broadcom بنشاط حلولها المستقلة الكاملة لمحولات CPO من أجل الاستفادة من الميزة التنافسية في السوق. لكن في الوقت نفسه، لم تُشكّل المعايير الصناعية (مثل معايير الواجهة ومعايير التغليف) بعد، مما يجعل من الصعب على سلسلة التوريد العلوية والسفلية إجراء البحث والتطوير والإنتاج والتهيئة بناءً على معيار موحد، وهو ما يُعد تحديًا رئيسيًا في الترويج التجاري.

بشكل عام، يمكن ملاحظة أن جميع المشكلات المذكورة أعلاه لديها حلول، لكنها تعتمد على نضج التكنولوجيا ووضع المعايير، وكل ذلك يتطلب وقتًا.

من ناحية أخرى، من الناحية الجذرية، يجب أن تحقق تقنية CPO ميزة من حيث التكلفة الشاملة.

هذا يطرح سؤالًا آخر: على الرغم من أن التكلفة دائمًا عامل أساسي بغض النظر عن الحل، إلا أن هناك مسارات أخرى أكثر تقدمًا أو أكثر حذرًا قيد التقدم بخلاف CPO، فما العلاقة بينها؟ هنا دعونا نميز أولًا بين اختلافات المسارات التقنية المختلفة.

04 مقارنة المسار التقني

1. CPO

نتحدث عن CPO، أي البصريات المُعبأة مشتركًا (Co-Packaged Optics)، كما ورد أعلاه، وهو يشير إلى تغليف محرك الضوء والرقاقة على نفس اللوحة الأساسية، حيث يمكن أن تكون الرقاقة إما رقاقة تبديل (ASIC) أو رقاقات حسابية مثل GPU، لكنه عادةً ما يشير إلى رقاقة التبديل.

2. NPO

NPO هي تقنية البصريات المُعبأة بالقرب من الدائرة (Near-Packaged Optics)، وهي أقل تقدماً من CPO، ولا تصل إلى مستوى التعبئة على نفس اللوحة الأساسية أو طبقة الوسيط، بل تقتصر فقط على التعبئة على نفس لوحة PCB الأم.

في الصين، تدفع شركات مثل علي بابا وهواوي أيضًا نحو حلول NPO، وهو ما يمكن اعتباره أكثر تنازلًا ناتجًا عن نقص في قدرات التغليف المتقدمة، لكنه قد يصبح الحل السائد في السوق الصينية لفترة من الزمن، مما يؤثر بدرجة ما على انتشار حلول نيفيديا في السوق الصينية.

الرسم التوضيحي: عرض طرق التكامل المختلفة: (من الأعلى إلى الأسفل: الطريقة القابلة للإزالة، NPO، CPO (متكاملة على لوحة التغليف)، CPO (متكاملة على الطبقة الوسيطة)، وOIO المذكورة أدناه)

المصدر: ASE، Dolphin Research

3. OIO

OIO (Optical I/O) يمكن اعتبارها تطورًا لـ CPO، حيث لا توجد هنا أي مسألة تتعلق برقائق التبديل، بل ترتبط بشكل رئيسي برقائق الحوسبة، وتشير إلى دمج محرك الضوء مع رقاقة الحوسبة، وحتى دمجهما مباشرة على مستوى الرقاقة، وهي موجهة تمامًا لبيئات الخزائن.

الرسم البياني: عرض لطرق التكامل المختلفة: قابل للإزالة، CPO، OIO

المصدر: TSMC، Openlight، Dolphin Research

هنا، دعونا نوضح هيكل مركز البيانات:

مركز البيانات يمكن اعتباره كمجموعة من الأجزاء المتصلة ببعضها البعض:

الخوادم مخصصة لمهام الحساب، وتحتوي داخليًا على شرائح حسابية مثل GPU وCPU، والذاكرة، والقرص الصلب، إلخ.

يقوم المفتاح بتشغيل الاتصالات الشبكية بين الخوادم وبين الخوادم والخارج، من خلال شرائح ASIC لتنفيذ تبادل البيانات؛

بالإضافة إلى ذلك، هناك نظام التخزين، حيث يتم توزيع وحدات التخزين بشكل رئيسي على عقد الخوادم في البنية التحتية الحالية لمركز البيانات، وتُوضع داخل الخوادم وتُدمج معها.

بناءً على البنية المذكورة أعلاه، يمكننا تصور سيناريوهات تطبيق CPO. بناءً على ذلك، دعونا نناقش لماذا بدأ CPO أولاً برقائق التبديل؟

هنا نقدم مقارنة لدور المفتاح: يمكن اعتبار المفتاح كممر علوي داخل مركز البيانات، ويمكن تصور أن الضغط على عرض النطاق الترددي لنقل البيانات وكثافة المنافذ، بالإضافة إلى عوائق استهلاك الطاقة المرتبطة بها، هي الأكبر، وبالتالي فإن الطلب على CPO أكثر إلحاحًا.

4. CPC

CPC، وهي اختصار لـ Co-Packaged Copper، تشير إلى دمج موصلات النحاس عالية السرعة مباشرة على لوحة التغليف.

ميزة التكلفة لهذه المسار التقني واضحة جدًا، لكنها لا تحل مشكلة قيود النطاق الترددي والتشتت في وسائط النحاس، لذا فإن تطبيقاتها محدودة نسبيًا، ويمكن استخدامها جزئيًا في ربط عقد GPU/CPU داخل الخزانة مع المفاتيح ورقائق التخزين. حاليًا، لا تزال حلول نيفيديا داخل الخزانة تعتمد على التوصيلات النحاسية، لكنها قد تنتقل في المستقبل إلى الربط الضوئي.

5. LPO

LPO هي البصريات القابلة للإدخال بالدفع الخطي (Linear-Drive Pluggable Optics)، وهي نسخة مخففة من البصريات القابلة للإدخال، حيث يتم إزالة شريحة DSP/CDR الداخلية والاحتفاظ فقط بتعزيز شريحة التحليل التناظرية Driver وTIA (سنشرح وظيفة هذه المكونات لاحقًا)، لتحقيق قيادة مباشرة للإشارة.

ببساطة، يتم إزالة شريحة DSP التي تستهلك طاقة عالية مباشرة من وحدات الضوء، والتخلّي عن تصحيح الإشارة؛ في الوقت نفسه، تعزيز شرائح التماثلية، بحيث يتم تضخيم الإشارة تماثليًا بغض النظر عن دقتها، ودفع إشارة كهربائية مباشرة من ASIC للتبديل لتشغيل الليزر.

الرسم التوضيحي: مقارنة بين النموذج التقليدي وهيكل LPO

المصدر: برايون موير، هندسة أشباه الموصلات، بحث دلفين

لكن هناك نفس المشكلة هنا، حيث أن مسارات PCB لا يتم تجاهلها (مما يسبب تدهور الإشارة)، وفي نفس الوقت تتطلب جودة الإشارة مستويات أعلى، لذا لا يزال النقل على مسافات طويلة محدودًا، وعندما تصل السرعة إلى مستويات أعلى (فوق 1.6 تيرابايت)، تصبح مشاكل سلامة الإشارة أكثر وضوحًا. بمعنى آخر، مع تبسيط الهيكل، يُضحي بالأداء.

بالتالي، يمكننا أن نرى أنه على الرغم من وجود حلول وسط مثل NPO وCPC وLPO، فإن هذه الحلول الوسطية ستواجه بالضرورة حدودًا مع تقدم مراكز البيانات نحو سرعات أعلى ومجموعات أكبر، ويُعد CPO الحل التالي الذي يجب تجاوزه.

6. ما هو مُبَدِّل التبديل الضوئي (OCS)، وهل يهدد مركز CPO؟

هنا، لا يمكن تجنب الإشارة إلى OCS (Optical Circuit Switch). تتمثل الخاصية الأساسية لهذا المفتاح في عدم وجود أي تحويل ضوئي-كهربي خلال العملية بأكملها، حيث يتم إنشاء مسار ضوئي فيزيائي مباشرة في المجال الضوئي عبر مصفوفة مفاتيح ضوئية.

الرسم التوضيحي: OCS

المصدر: Orbray، Dolphin Research

يمكنك تصوره بشكل بصري على أنه مكون من صفوف من المرايا (مصفوفة المرايا الدقيقة)، والتي يمكنها تعديل زوايا المرايا وفقًا للتعليمات لعكس الضوء بزوايا مختلفة.

على السطح، يبدو أن OCS تقوم بتحويل إشارة الضوء مباشرة، مستبدلةً عملية التحويل الضوئي-الكهربائي والكهربائي-الضوئي التقليدية، وكأنه باستخدام هذه الطريقة التقنية، لن نحتاج إلى CPO (على الأقل لا نحتاج إلى CPO في مرحلة المفتاح). لكن في الواقع، هذا ليس صحيحًا.

هنا نلخص كيفية بناء بنية المفاتيح في مركز البيانات:

(1) داخل اللوحة الرئيسية: أولاً، نعلم أن الحسابات الأكثر أهمية داخل مركز البيانات تتم عبر GPU، وبعد إكمال الحسابات بواسطة GPU، يجب نقل البيانات إلى CPU، حيث تقوم CPU بمعالجتها ثم نقلها إلى بطاقة الشبكة (التي تحتوي على ASIC)، أو يمكن نقلها مباشرة من GPU إلى بطاقة الشبكة.

يمكن تنفيذ الأقسام المذكورة أعلاه على لوح أم واحد، أو على الأقل داخل خادم واحد.

(2) داخل الخزانة: بعد ذلك، تُنقل البيانات من الخوادم إلى مفتاح الشبكة في الخزانة. يمكن أن تحتوي الخزانة على عدة خوادم متصلة ببعضها البعض بسرعة عالية، ولكن يجب أن يكون هناك مفتاح شبكة في قمة الخزانة للاستجابة للاتصال الخارجي وتبادل البيانات بين الخزانة والخارج. يُسمى هذا المفتاح هنا مفتاح ToR (Top of Rack).

وتم تنفيذ الأقسام أعلاه داخل نفس الخزانة.

(3) بين الخزائن: يتكوّن مركز البيانات من مجموعة من الخزائن، فكيف يتم توجيه الاتصال بين الخزائن؟ هنا يأتي دور مُبَدِّل Spine. يُدير مُبَدِّل Spine الاتصالات عالية السرعة بين جميع مُبَدِّلات Leaf، وكذلك مع خارج مركز البيانات، وهو المحور الرئيسي لشبكة المُبَدِّلات داخل مركز البيانات.

الرسم التوضيحي: مخطط لمفاتيح Spine وLeaf في مركز البيانات

المصدر: برايون موير، هندسة أشباه الموصلات، بحث دلفين

أما OCS فتُستخدم أساسًا لاستبدال مفاتيح Spine.

أولاً، تتميز مفاتيح Spine بأسعار مرتفعة واستهلاك عالٍ للطاقة، لذا فإن الطلب على بدائلها هو الأكثر إلحاحًا.

ثانيًا، وظيفة OCS محدودة، فهي فقط تقوم بإعادة توجيه الإشارات (عكس الضوء)، مثل المرآة العاكسة. لكن المفاتيح التقليدية لديها وظائف أكثر شمولاً، فهي تحتاج إلى فك حزم البيانات، وفحص عنوان IP، ثم تحديد مكان التوجيه. على سبيل المثال، نظرًا لأن OCS لا يمكنه تنفيذ الأوامر فقط دون القدرة على اتخاذ قرارات، فمن الممكن استخدامها فقط كمفتاح Spine في هذه الحالة، لكن إذا أردت استبدال مفاتيح Leaf أيضًا، فستحتاج إلى إضافة مكونات أخرى لتنفيذ وظيفة "معالجة الحزم"، مثل بطاقة الشبكة الذكية (SmartNIC)، وعندها تصبح البنية أكثر تعقيدًا، وهي ليست بالضرورة أفضل حل.

بهذه الطريقة، يصبح الهيكل واضحًا جدًا:

على الرغم من أن المفاتيح التي طورتها نفيديا مثل Quantum X800-Q3450، ومفاتيح Tomahawk 6 - Davisson التي طورتها Broadcom، والتي تتبع مسار CPO، هي جميعها مفاتيح Spine، وأن جوجل تدفع نحو مفاتيح OCS لاستبدال مفاتيح Spine التقليدية، فإن هناك علاقة تنافسية مباشرة بينهما.

لكن في النهاية، على الرغم من أن OCS لديها فرصة لاستبدال مفاتيح Spine، إلا أنه في الخطوات التالية، بالنسبة للتطبيقات ذات الاستخدام الأكبر، فإن التحويل الكهروضوئي بين محركات الضوء وشرائح ASIC على مفاتيح Leaf، وكذلك الاتصالات بين اللوحات الأم داخل الخوادم (عبر شرائح ASIC للبطاقة الشبكية أو NVSwitch إلخ)، ثم الاتصالات بين شرائح الحوسبة على اللوحة الأم وشرائح الحوسبة الأخرى، وبين شرائح الحوسبة وشرائح ASIC للبطاقة الشبكية، لا تزال تتطلب استخدام CPO. وبالتالي، فإن العلاقة المستقبلية بين الاثنين ستكون أكثر تكاملاً وتكاملاً.

ما هي مراحل سلسلة التوريد المعنية؟

(1) أولاً، نحلل مبدأ وبنية CPO

يمكن اعتبار CPO نسخة مُحسّنة من محرك الضوء، والذي يُستخدم لتحويل الضوء إلى إشارة كهربائية، ويتكون بشكل رئيسي من الأجزاء التالية:

1. جزء الدائرة الضوئية

(1) المُعدِّل: من خلال التحكم في شدة الضوء والإشارة، يُحول الإشارة الكهربائية (الأرقام الثنائية 0/1) إلى إشارة ضوئية.

(2) الكاشف: هو PD (الديود الضوئي)، والذي يحول الإشارة الضوئية إلى إشارة كهربائية.

(3) الموجّه الضوئي: يمكن فهمه كألياف ضوئية دقيقة مطبوعة داخل الرقاقة.

2. جزء الدائرة الإلكترونية

(1) Driver: يُضخّم الإشارة الكهربائية الضعيفة القادمة من المفتاح أو الخادم إلى إشارة كهربائية قادرة على التحكم بدقة في انبعاث الضوء من الليزر، وبالتالي فإن الخطوة التالية للـ Driver هي المُعدِّل.

(2) TIA (مُضخِّم ترانسإيمبيدانس): يُضخِّم ويحول إشارة كهربائية ضعيفة جدًا تُنتِجها PD إلى إشارة جهد يمكن للدوائر اللاحقة معالجتها، لذا فإن TIA هو المرحلة التالية بعد PD.

3. مصدر الضوء، أي الليزر

لا يمكن للمُعدِّل أن يُصدر الضوء بنفسه، لكنه يمكنه التحكم في الضوء، لذا هناك حاجة إلى مكون يُصدر الضوء ليتم دمجه معه، وهو الليزر.

رسم توضيحي لهيكل محرك الضوء

المصدر: زونغ زيه وآخرون، "بحث وحدة الإرسال والاستقبال الضوئية السيليكونية 400G FR4"، Dolphin Research

بالإضافة إلى جزأين آخرين:

4. DSP و CDR، كلاهما يستخدم لتصحيح الإشارات الكهربائية. أحدهما يُستخدم لتعويض الضرر الفيزيائي في الإشارة الكهربائية، والآخر يُستخدم لاستخراج ساعة دقيقة من الإشارة التالفة وإعادة ترتيب توقيت البيانات، حيث يتم عادةً تضمين وظيفة CDR في شريحة DSP.

تشبه CPO LPO في أنها تزيل وحدة معالجة الإشارات الرقمية (DSP) ذات استهلاك الطاقة العالي والتكلفة العالية ومصدر التأخير من محرك الضوئي. لكن في حل CPO، يتم دمج بعض وظائف DSP داخل ASIC التبديل، بينما يعتمد LPO على استخدام شريحة تناظرية لتعزيز الإشارة. بالإضافة إلى ذلك، تدمج CPO وظيفة استعادة الساعة والتعويض (CDR) داخل SerDes عالي السرعة.

فما هي SerDes عالية السرعة؟ تشمل SerDes عالية السرعة مُرسِل Ser ومُفكِّك Des، وهي تقع داخل رقاقة ASIC، وتُستخدم على التوالي لحزم البيانات المتوازية داخل الرقاقة في تدفق بيانات متسلسل عالي السرعة، أو لفك حزم تدفق البيانات المتسلسل عالي السرعة واستعادة البيانات المتوازية المنخفضة السرعة المتعددة.

(2) انظر الآن إلى مراحل سلسلة توريد CPO الكاملة:

1. أولاً، CPO ككل

يحتوي محرك الضوء في CPO على قسم الدوائر الفوتونية وقسم الدوائر الإلكترونية المذكورين أعلاه، ثم يشكل محرك الضوء مع شريحة ASIC الجزء الرئيسي من مبادل CPO. دعونا أولاً نناقش السؤال الأساسي: من سيقوم بصنع هذا CPO؟

تُقدَّم وحدات الضوء التقليدية كوحدات مستقلة مكونة من مكونات بصرية وأجهزة منفصلة، ويمكن توفيرها بالكامل من قبل مصنعين متخصصين، مثل زونجي شوتشوانغ وشين ييشينغ وكوهيرنت الذين نعرفهم جيدًا، فماذا عن CPO؟ من الواضح أن هذه الشركات لم تعد قادرة على قيادتها.

نميل إلى الاعتقاد أن اتجاه القيمة الصناعية تحت CPO سيكون كالتالي:

(1) شركات تصنيع وصولات تمتلك التكنولوجيا الأساسية: شركات تتحكم في منصات أنظمة مراكز البيانات وشركات رقائق التبديل مثل NVIDIA/Google/Broadcom/Marvell لتحديد الهيكل والمعايير + بيع منتجات كاملة؛

(2) مصنعو العقود: شركات التصنيع مثل TSMC / UMC / Amkor لتنفيذ تصنيع الألواح الضوئية / التكامل الضوئي / التغليف المتقدم بالتعاقد؛

(3) الموردون من القطاع العلوي: تستمر شركات Coherent/Lumentum في إنتاج وتوريد أجهزة الضوئيات.

(4) شركات تصنيع الوحدات الضوئية التقليدية: مثل Zhongji Xuchuang / XinYisheng، تستمر في توفير وحدات المحرك الضوئي خلال فترة الانتقال، مع تقديم حلول وسطية مثل NPO وLPO، بالإضافة إلى تصاميم CPO مُ compromise بناءً على اعتبارات الصيانة.

2. بالإضافة إلى المحرك الضوئي الأساسي لـ CPO، هناك عدة مكونات أخرى تحتاج إلى الانتباه إليها

(1) الليزر

لا يمكن لـ CPO دمج مكونات التحويل الضوئي الكهربائي فقط، بل لا يزال هناك صعوبة في دمج الليزر مباشرة، لذا لا يزال يلزم استخدام ليزر خارجي. في الوقت نفسه، زادت متطلبات CPO لقوة الليزر بشكل كبير (على الأقل بثلاثة إلى أربعة أضعاف)، كما ارتفعت متطلبات الأداء والموثوقية بشكل كبير، وبالتالي زادت قيمته بشكل كبير.

ومع ذلك، هناك اختيار في مسار تقني:

1) ليزر EML: المسار التقليدي، حيث يتم دمج الليزر والمُعدِّل معًا، وميزته أنه مناسب للاتصالات عالية النطاق الترددي (أكثر من 200 جيجابت/ثانية) والمسافات الطويلة. هذا المسار مُحتكر من قبل كبرى الشركات مثل Lumentum وII-VI (Coherent) وSumitomo.

2) ليزر CW: مسار ناشئ يعزل الليزر تمامًا، مما يوفر مزايا في التكلفة والاستهلاك الطاقي، كما أنه أكثر توافقًا مع مسار CPO المستقبلي. إن إمدادات ليزر CW مرنة نسبيًا، وقد حققت شركات صينية مثل Yuanjie Technology و Shijia Photonics و Changguang Huaxin إنتاجًا بكميات كبيرة لمنتجات بقدرة 70 مللي واط/100 مللي واط وحصلت على طلبات ضخمة.

الرسم التوضيحي: الفرق بين EML وCW Laser

المصدر: سوميتومو للصناعات الكهربائية، بحوث الدلفين

بعد ذلك، المكونات الأربعة الرئيسية للألياف البصرية، والتي نادرًا ما تُستخدم في مسار الوحدات البصرية القابلة للإدخال التقليدي:

(2) وحدة مصفوفة الألياف (FAU): تُستخدم لتثبيت الألياف بدقة لتحقيق محاذاة عالية الدقة بين الألياف والدوائر الموجية.

الرسم التوضيحي: وحدة مصفوفة الألياف

المصدر: Corning، Dolphin Research

(3) الألياف المحافظة على الاستقطاب (PMF): نوع خاص من الألياف يستخدم للحفاظ على حالة استقطاب الضوء دون تغيير.

(4) صندوق توزيع الألياف (Fiber Shuffle): يستخدم لترتيب الألياف، ويمكنه إعادة ترتيب ترتيب الألياف في الأجهزة عالية الكثافة المعقدة.

الرسم التوضيحي: Fiber Shuffle

المصدر: Hyoptic، Dolphin Research

(5) موصل الألياف البصرية (MPO، Multi-Fiber Push On): يستخدم للربط بين الألياف متعددة النوى.

الرسم التوضيحي: ميناء MPO

المصدر: Senko، US Conec، Dolphin Research

لماذا نادرًا ما تُستخدم المكونات المذكورة أعلاه في وحدات الضوء التقليدية؟

(1) في النموذج التقليدي، يتم إدخال الألياف البصرية مباشرة في واجهة قياسية، لكن في CPO، يجب تحقيق توصيل عالي الدقة بين الألياف البصرية ومرشحات الموجة على سطح شريحة الضوء، لذا يلزم استخدام FAU؛

(2) النموذج التقليدي هو التعديل المباشر، وهو غير حساس لحالة الاستقطاب للضوء، وكانت تكلفة الألياف المحفوظة الاستقطاب (PMF) عالية جدًا في السابق، مما يجعلها غير مناسبة إلى حد كبير للتطبيق الصناعي، لكن CPO تستخدم مصباح ليزر خارجي لتوفير مصدر الضوء، وحالة استقطاب الليزر تؤدي إلى فقدان كبير للطاقة، لذا يجب استخدام PMF؛

(3) عادةً ما تحتوي النماذج التقليدية على طريقتين فقط من الألياف، إرسال واستقبال، ولا تتطلب اتصالات معقدة باللوحة الخلفية، لذا يمكن تنفيذها يدويًا دون الحاجة إلى Fiber Shuffle، لكن في CPO يجب استخدام Fiber Shuffle؛

(4) بنفس الطريقة، لا تتطلب الوحدات التقليدية العديد من الواجهات، ولكن في حالة CPO، إذا تجاوزت السرعة 400G، فإنها تحتاج إلى 8 أو حتى 16 خيطًا ضوئيًا للنقل المتوازي، بينما المساحة على اللوحة محدودة، لذا فإن استخدام موصل MPO متعدد النوى ضروري.

سنقوم بتحليل مساحة السوق وفرص الاستثمار في مراحل الصناعة المتعلقة بـ CPO في المقال التالي.