Co-packaged optics: waarom chips en licht steeds dichter bij elkaar kruipen
In een modern datacenter razen gegevens niet alleen door kabels van koper, maar steeds vaker door glasvezel, met licht in plaats van elektrische stroom. Die omzetting van elektrische naar optische signalen gebeurt normaal gesproken in kleine, uitwisselbare modules aan de voorkant van een netwerkswitch: de "schakelkast" die bepaalt welk dataverkeer welke kant op gaat. Co-packaged optics (CPO) is een nieuwe manier van bouwen waarbij die optische onderdelen niet meer los aan de rand zitten, maar direct naast de hoofdchip op hetzelfde chippakket worden gesoldeerd of gebonden.
Vergelijk het met een keuken en een restaurantzaal. Nu staat de keuken (de chip die het dataverkeer regelt) nog vaak een gang verderop dan de plek waar het eten het pand verlaat (de optische module die het naar de glasvezel stuurt); serveerders lopen heen en weer en er gaat onderweg warmte en tijd verloren. Bij co-packaged optics verhuist de "uitgifteballie" letterlijk de keuken in: het eten (de data) hoeft nog maar een paar centimeter af te leggen voordat het licht wordt en de deur uit gaat. Dat scheelt energie, ruimte en vertraging.
Wat is het precies?
Een netwerkswitch bevat een ASIC: een op maat gemaakte chip die miljarden keren per seconde beslist waar een datapakketje naartoe moet. Die ASIC praat in elektrische signalen. Om data over lange afstanden te versturen, moet dat signaal worden omgezet naar licht, want licht verliest over glasvezel veel minder energie dan stroom over koperdraad.
In de klassieke opzet gebeurt die omzetting in een pluggable transceiver: een klein, uitneembaar kastje (bekend onder namen als QSFP of OSFP) dat je aan de voorkant van de switch in een sleuf klikt, vergelijkbaar met een USB-stick. Het elektrische signaal moet daarvoor van de ASIC, over een printplaat, enkele centimeters afleggen naar die module. Bij de zeer hoge snelheden van vandaag kost die korte reis al aardig wat energie: het signaal verzwakt onderweg en moet met extra chips ("retimers") weer worden opgeschoond en versterkt.
Co-packaged optics knipt die reisafstand drastisch in. De optische onderdelen, meestal gemaakt met silicium-fotonica (chips die met dezelfde fabrieksprocessen als gewone processoren worden gemaakt, maar dan om licht te sturen in plaats van stroom), komen op hetzelfde substraat als de ASIC te zitten, soms slechts enkele millimeters ernaast. De lichtbron zelf, een laser, wordt vaak nog apart aangeleverd via een dun glasvezeltje, omdat silicium zelf geen goed licht uitzendt. Op de fotonische chip zitten dan modulatoren die het licht aan- en uitknipperen volgens het elektrische signaal, en fotodetectoren die inkomend licht weer terugzetten in elektrische pulsen.
Het resultaat is een dichtbevolkt, nauwkeurig samengesteld pakket: elektronica en fotonica naast of op elkaar gestapeld, vergelijkbaar met hoe moderne processoren tegenwoordig uit meerdere kleine "chiplets" worden opgebouwd in plaats van uit één groot stuk silicium. Dat vraagt om zeer precieze uitlijning tussen glasvezel en chip, en om zorgvuldig thermisch beheer, want lasers zijn gevoelig voor warmte en zitten nu vlak naast een ASIC die zelf al veel warmte produceert.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is energie. Elke keer dat een elektrisch signaal een langere afstand over een printplaat moet afleggen, kost dat vermogen om het signaal sterk en schoon te houden. Bij de dataverkeersvolumes die AI-clusters tegenwoordig vragen, tellen die kleine verliezen op tot een serieus deel van het totale stroomverbruik van een datacenter. Door de afstand tussen chip en licht te verkleinen, hoopt de industrie fors te besparen op energie per verstuurd bit.
Een tweede doel is bandbreedtedichtheid: hoeveel data je door één switch of één rack kunt jagen. Pluggable modules nemen fysieke ruimte in aan de rand van een apparaat, en die rand is een harde grens. Door optiek te integreren in het pakket, kunnen fabrikanten meer verbindingen kwijt zonder dat de switch fysiek groter wordt.
Daarnaast speelt kostenefficiëntie op termijn een rol, evenals een kleine winst in signaalkwaliteit en vertraging. Maar de kern is simpel: de vraag naar netwerkbandbreedte, vooral gedreven door AI-trainingsclusters waarin duizenden chips voortdurend grote hoeveelheden data met elkaar uitwisselen, groeit sneller dan de traditionele aanpak met pluggable optica energiezuinig kan bijbenen. CPO is een poging om die groei betaalbaar te houden qua stroomverbruik.
Voorbeelden uit de praktijk
Enkele concrete projecten laten zien hoe het veld zich ontwikkelt:
- Broadcom Bailly (aangekondigd in 2024): een Ethernet-switch met een schakelcapaciteit van 51,2 terabit per seconde, waarbij de optische engines rond de ASIC zijn gepakketteerd. Dit geldt als een van de eerste commercieel aangeboden CPO-switches voor datacenters.
- Nvidia Quantum-X Photonics en Spectrum-X Photonics: op de GTC-conferentie van maart 2025 kondigde Nvidia CPO-switches aan voor respectievelijk InfiniBand- en Ethernet-netwerken, specifiek bedoeld voor grootschalige AI-clusters, met beoogde beschikbaarheid vanaf 2026.
- TSMC COUPE (Compact Universal Photonic Engine): het Taiwanese chipfabrikant TSMC ontwikkelt een fabricageplatform waarmee klanten zoals Broadcom, Nvidia, Cisco en Marvell fotonica en elektronica in één 3D-gestapeld pakket kunnen laten produceren.
- Ayar Labs: een Amerikaanse start-up die met zijn TeraPHY-technologie optische chiplets ontwikkelt, met als doel niet alleen switches maar ook processoren en AI-versnellers direct van optische in- en uitgangen te voorzien, onder meer in samenwerking met Intel.
- Marvell: werkt aan CPO-oplossingen met optische engines van 1,6 terabit per seconde, gericht op de infrastructuur voor AI-datacenters.
Hoe ver is de techniek?
Co-packaged optics is de fase van laboratorium en prototype voorbij, maar staat nog aan het begin van brede commerciële inzet. Broadcom's Bailly-switch is een van de weinige producten die daadwerkelijk op de markt zijn gebracht; grootschalige uitrol bij netwerkbeheerders verloopt geleidelijk. Nvidia's aangekondigde CPO-switches moeten pas vanaf 2026 in klantomgevingen verschijnen, dus de praktijkervaring daarmee is op het moment van schrijven nog beperkt.
Een paar hardnekkige obstakels vertragen de opmars. Het belangrijkste is onderhoudbaarheid: gaat bij een pluggable module een laser kapot, dan trek je die er simpelweg uit en steek je een nieuwe in. Zit die laser vast gebakken in het chippakket, dan kan een storing betekenen dat de hele, dure switch vervangen moet worden. Fabrikanten zoeken naar tussenoplossingen, zoals externe, makkelijker vervangbare laserbronnen die via een los stekkertje worden aangesloten.
Ook thermisch beheer blijft lastig: lasers werken het best binnen een nauw temperatuurbereik, terwijl ze nu vlak naast een chip zitten die veel warmte afgeeft. Verder is de productie veeleisend, omdat optische en elektrische onderdelen tot op de micrometer nauwkeurig moeten worden uitgelijnd, wat de opbrengst (het percentage bruikbare chips per productieronde) onder druk zet en de kosten aanvankelijk hoog houdt. Ten slotte is standaardisatie nog volop in ontwikkeling: brancheorganisaties werken aan gemeenschappelijke afspraken zodat CPO-onderdelen van verschillende fabrikanten samenwerken, maar dat proces is nog niet afgerond. Al met al wordt algemeen verwacht dat de overgang van pluggable naar co-packaged optics stapsgewijs verloopt, met beide technieken nog jarenlang naast elkaar in gebruik.
Wie werken eraan?
De ontwikkeling wordt vooral getrokken door Amerikaanse chip- en netwerkbedrijven. Broadcom geldt als koploper met een commercieel product, en Nvidia zet zwaar in op CPO voor zijn AI-netwerkapparatuur. Marvell en Cisco ontwikkelen eigen CPO-technologie en -producten, terwijl Intel al twee decennia onderzoek doet naar silicium-fotonica en die kennis nu inzet voor geïntegreerde optische interconnecties. Kleinere gespecialiseerde spelers zoals Ayar Labs, Ranovus en Lightmatter richten zich specifiek op optische chiplets en interconnecties voor AI-hardware.
Op productiegebied speelt het Taiwanese TSMC een sleutelrol, omdat het de geavanceerde verpakkingstechnologie levert waarmee elektronica en fotonica samen op één pakket worden gebracht. Onderzoeksinstituten zoals het Belgische imec dragen bij aan fundamenteel onderzoek naar silicium-fotonica. Standaardisatie wordt onder meer gecoördineerd door het Optical Internetworking Forum (OIF), een internationale branchevereniging die technische specificaties voor CPO opstelt. Grote clouddienstverleners zoals Meta, Microsoft, Google en Amazon jagen de vraag verder aan, omdat zij via samenwerkingsverbanden als het Open Compute Project meepraten over de eisen waaraan toekomstige datacenterhardware moet voldoen.