像工程師一樣思考，一書讀懂 CPO：圖解資料中心光互連 (Co-Packaged Optics)

關於這本書

賦予讀者「光互連」的識讀力
用生活化的比喻把光電共封裝（CPO）的故事講給你聽──
 

各界推薦人

張國恩（國立陽明交通大學半導體工程學系特聘教授）

傅建中（國立清華大學奈米工程與微系統研究所動力機械工程學系教授）

劉柏村（國立陽明交通大學光電工程學系講座教授暨研發長）

─專文推薦─

梁中瑜博士（Intel研發總監）

郭浩中（鴻海研究院半導體研究所所長暨國立陽明交通大學終身講座教授）

陳筱青（國立臺灣科技大學電機工程學系教授）

蔡坤諭（國立臺灣大學電機工程學系教授

─專業推薦─

（依姓名筆劃排列)

內容簡介

賦予讀者「光互連」的識讀力
用生活化的比喻把光電共封裝（CPO）的故事講給你聽──

人工智慧的算力競賽，把「資料中心裡的晶片如何互相連線」推上了臺前。當成千上萬張晶片必須像一個大腦般同步運作，決定效能與能耗的關鍵已不再是晶片本身，而是連接它們的那張網路──它正一步步從銅線換成光，前沿更推進到把光收進晶片封裝的光電共封裝（CPO）。
這個當前半導體與AI基礎建設最關鍵的領域，被高端科技的外殼包裹，又充斥著各種專有名詞與誤解，讓一般人望而卻步。作者陳昇祐博士，繼首部系統性技術專著《矽光子設計與資料中心光互連》之後，專為沒有理工背景的讀者寫下本書：拿掉數學與公式，改用生活化的比喻，搭配數十張原創圖解，以「一個位元的旅程」串起十二章，讓「光如何搬動世界的資料」變成你能親眼看見、也能講給別人聽的故事。
無論你是投資人、產業分析師、記者，或只是對這場技術變革感到好奇的讀者，這本書都是最好的入門導覽。從磊晶、晶圓、先進封裝到系統整合，臺灣都握有世界級的實力。站在這波浪潮的中央，讀懂它，你就讀懂了臺灣手中一張關鍵的牌！

<序>

〈推薦序 穿透技術的高牆，看見光電交織的真實魅力〉

文／劉柏村

轉眼間，認識昇祐已經大約30年了。回想起當年我還在攻讀博士學位時，他還是個充滿熱忱與好奇心的小學弟。看著他一路從求學、投入晶片設計，到如今創辦公司並擔任Latitude Design Systems的技術長，這段橫跨三十年的成長軌跡，實在令人深感欣慰。
當今龐大的人工智慧算力，除了歸功於IC晶片效能的提升，更仰賴於那些隱身在機房深處的光通訊模組。無論是TOSA與ROSA模組的精妙封裝，或是矽光子技術在微縮體積與降低功耗上的突破，都是支撐數位社會的隱形骨幹。然而，這門牽動全球運轉的尖端科技，卻常僅流傳於少數工程師與研究者的探討之中。面對這個重要卻又充滿門檻的領域，我們始終缺少一座能讓大眾輕鬆跨越的橋梁。
昇祐的這本《像工程師一樣思考，一書讀懂CPO──圖解資料中心光互連》，正是那座精美的橋梁。
這本書最引人入勝之處，在於昇祐擁有一種將「硬科學」化為「白話文」的魔力。他刻意避開了那些會讓非本科讀者卻步的繁複數學公式，改用極具親和力的視角，帶領我們走進資料中心的深處。讀著書中的文字，您會發現那些原本生硬的物理現象──例如光如何在極微小的矽晶片波導中流轉，或是光模組內部的微小元件如何完美協作，無聲地扛起每秒千億次的龐大資料交換──都被他拆解成清晰明瞭的圖譜。他彷彿是一位幽默且極具耐心的導遊，透過數十張精心繪製的原創插圖，把一座座冷冰冰的AI機房與錯綜複雜的網路架構，具象化為一座座運作嚴密的微型城市。在這裡，讀者不需要死記硬背，就能直觀地理解光通訊的邏輯，看見「光」在晶片與伺服器之間穿梭的迷人姿態。
這不僅是一本給理工學生的入門地圖，更是一本為投資人、產業分析師，以及所有對科技感到好奇的讀者所準備的入場導覽。很高興能向大家推薦這本溫暖且充滿巧思的作品。這是一趟充滿驚喜的光電之旅，我誠摯地邀請您一同啟程。相信當您闔上書本的那一刻，一定會對我們身處的這個數位世界，擁有截然不同的嶄新體會。

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〈推薦序 切入矽光子領域的重要起點〉

文／張國恩

臺灣自1970年發展半導體以來，臺灣人一直以堅韌的意志與務實的精神發展高科技，突破重重困難，直到今日半導體製程技術領先全球，形成了所謂的半導體護國群山，這一切絕非偶然。
目前半導體的發展在AI人工智慧的驅動之下又再變得更加快速重要，在AI人工智慧的快速發展之下，資料傳輸量與運算量呈現爆炸式的成長，逐漸超越傳統銅電纜資料互連的物理極限，因此矽光子與共封裝光學技術橫空出世，用光訊號代替電訊號來傳遞資料，既高速又省能源，因此「光進銅退」已變成巨量資料互連的高度共識，然而矽光子不僅是如電訊號換成光訊號這般表面上的不同，而是從物理跟技術上的傳輸技術澈底改變，從材料、光電元件、系統、封裝、自動化到測試，每一樣都與目前目前半導體微電子技術有著極大的差異，物理上更橫跨材料、半導體、光電、力學、熱傳等跨領域知識，也因此許多初學者雖然有心想要涉入矽光子學術及產業領域，但面對這龐大的跨領域知識與技術往往不得其門而入。綜觀目前市面上與矽光子的書往往艱澀難懂，臺灣甚至是全世界，也都還沒有比較適合一般大眾及初學者的「矽光子與共封裝光學」的入門書籍可以用來學習相關知識。很多人想要跨進這個領域，卻沒有一個可以領進門一窺矽光子奧妙的「領門師父」，殊為可惜。
與陳昇祐博士相識多年，一直以來對於陳兄在矽光子領域的專業與投入十分敬佩，陳兄具有超過20年的半導體、EDA及光電產業經驗，是臺灣少數「懂光又懂電」的專家，近年來更是全世界矽光子領域的主要舵手之一，在臺灣推動矽光子技術發展與教育更是不餘遺力，也是因為這樣深厚的背景與經驗才能站在制高點上為初學者寫出這本重要的矽光子共封裝光學的重要入門書，能作為不同背景人士切入矽光子領域的重要起點，並填補目前市面上相關書籍之不足。這本《像工程師一樣思考，一書讀懂CPO──圖解資料中心光互連》首先把一切艱深的物理及數學都放在一旁，以深入淺出的概念及比喻讓讀者了解矽光子的前世今生、為何矽光子是目前AI時代的必備武器、矽光子的基礎概念、共封裝光學的基礎架構及技術發展趨勢等，每一項都是目前AI與矽光子時代所必須了解的重要概念，身為在矽光子領域鑽研多年的研究人員，我相信不論是哪個領域的人員都能輕鬆上手閱讀，也相信這本書的讀者在閱讀過這本書後都能有豐富收穫與重要啟發，能順利進入矽光子的世界繼續鑽研發展創新知識與技術。
矽光子無疑是半導體及科技領域下一波顛覆性的黑科技之一，有望成為臺灣未來新的半導體─矽光子護國群山，僅以此序誠摯推薦本書給所有對於矽光子與共封裝光學有興趣的讀者。

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〈推薦序 讓看不見的光，成為看得懂的世界〉

文／傅建中

認識昇祐，是一件很愉快的事。
他是一位工程師，也是一位研究者；但在我眼中，他還有一個更難得的特質：他喜歡把事情想清楚，也願意花力氣把複雜的事情說清楚。
這兩件事情看似相近，其實非常不同。
工程師往往擅長處理複雜的問題。我們習慣公式、模型、規格、製程、架構與數據，也習慣在一層又一層的技術細節裡尋找答案。然而，真正理解一件事情之後，常常會發現，事情反而變得簡單了。
有時候，知識增加，世界會變得愈來愈複雜；但是理解真正發生的那一刻，世界卻會突然安靜下來。
你會有一種「原來如此」的感覺。
我想，這正是我閱讀昇祐這本書時，很深的一個感受。
今天談人工智慧，大家首先想到的是GPU、先進製程、先進封裝與龐大的算力。但當數萬甚至十萬顆晶片開始一起工作，真正困難的問題已經不只是「算得有多快」，而是這些晶片之間能不能快速、有效率地彼此交換資訊。
於是，我們開始重新看見「連結」的重要。
從銅線到光纖，從可插拔式光模組到LPO，從矽光子一路走到CPO，表面上看，是一連串技術的演進；但如果把視野拉遠一點，其實我們正在面對的是一個非常根本的問題：
當運算的能力愈來愈巨大，我們要如何讓彼此之間的連結，也跟得上這樣的成長？
這也正是CPO令人著迷的地方。
光原本存在於晶片之外，如今一步一步向晶片靠近。從資料中心之間、機房之間、機櫃之間，再走進封裝之中。那一道肉眼看不見的光，正在愈來愈靠近計算本身。
從工程的角度看，這是頻寬、能耗、距離、熱、封裝、良率與成本之間不斷重新尋找平衡的過程；但從另一個角度看，它也很像我們理解世界的方式──當事物愈來愈靠近核心，許多原本分開的界線，也開始重新被思考。
光與電不是誰消滅誰。
CPO也不是宣告某一種技術取得最後勝利。
工程真正迷人的地方，本來就很少是「非此即彼」。在不同距離、不同成本、不同功耗與不同應用條件下，每一種技術都有它最適合的位置。成熟的工程判斷，不是急著預言誰會取代誰，而是先問：在什麼條件下？在什麼時間點？解決的是哪一個問題？付出的代價又是什麼？
這也是我特別欣賞這本書的地方。
昇祐沒有把CPO描寫成一個炫目的科技名詞，而是從一個bit的旅程開始，一層一層帶著讀者去理解資料究竟如何被搬動。光纖、調變器、雷射、DSP、矽光子、LPO、CPO、封裝、測試與產業鏈，在他的筆下不再是一堆彼此孤立的名詞，而慢慢形成了一張完整的地圖。
我尤其喜歡書裡幾個看似簡單，卻很有工程味道的說法。例如，他提醒讀者，銅真正輸給光的並不是「速度」，而是高速之下還能走多遠的「耐力」；談到CPO，又把它形容成「把郵局搬到家門口」。這些比喻看似輕巧，背後其實都建立在很扎實的工程判斷上。能把複雜的技術說得簡單，而又不犧牲它的準確性，是很不容易的事。
更難得的是，他用了大量生活中的比喻。
道路、城市、郵局、水龍頭、高鐵……
這些看起來與半導體毫不相關的東西，卻讓原本藏在實驗室、晶圓廠與資料中心裡的技術，忽然有了可以被想像的形狀。
我一直覺得，真正深刻的理解，最後往往會回到簡單。
如果一件事情只能用艱深的語言說明，也許我們還沒有真正走到它的中心。當一個人真正看見一件事情，他反而不需要用很多術語來證明自己知道；他只是把窗戶打開，讓你自己看見。
好的老師也是如此。
他不是站在你和知識之間，而是慢慢退到旁邊。
最後，你甚至忘記了老師的存在，只剩下你自己，看見了原本看不見的東西。
我認為昇祐在這本書裡，做的正是這件事情。

因此，這雖然是一本談光互連與CPO 的書，我卻覺得它同時也是一本談「如何理解技術」的書。
技術世界變化得太快。今天我們記住的規格、速率與產品名稱，幾年之後可能就會被新的世代取代。如果一本科技書只能告訴我們「現在的答案」，它的生命往往十分短暫。
但如果一本書能教我們怎麼提問，它的價值就會長得多。
看到一個驚人的數字，先問它的定義與邊界；看到一項新技術，先分辨它究竟是研究、展示、送樣，還是真正進入量產；看到「某某技術即將取代一切」的預言，也不要急著相信，而是回到工程最基本的問題──性能、功耗、成本、可靠度與製造性之間，真正的帳究竟怎麼算？
我尤其喜歡這樣的態度。
因為科學真正珍貴的地方，從來不是讓我們變得更確定，而是讓我們知道，在證據走到哪裡以前，我們應該停在哪裡。
知道，是一種能力；知道自己還不知道，也是一種能力。
而後者往往更難。
昇祐長期走在晶片設計、電子設計自動化與矽光子的交界，也因此能同時從設計、製造、工具與系統的角度觀看這個產業。這樣跨越不同領域的經驗，使他不是只談某一顆元件，而是試圖把整張圖攤開給讀者看。
這一點對今天的臺灣尤其重要。
我們擁有世界級的半導體製造、封裝與系統整合能力，而下一波AI基礎建設的競爭，已經逐漸從「如何做出更強的晶片」，延伸到「如何讓大量晶片真正有效率地一起工作」。當光一步步進入機櫃、進入封裝，許多原本分屬半導體、光電、封裝、精密製造與系統工程的領域，也正在重新交會。
新的機會，常常就出現在這些交界之處。
而所謂創新，有時候也並不是創造一個世界上從未存在過的東西。
更多時候，它只是忽然看見：原來這兩件一直存在的事情，可以在這裡相遇。
光互連，本身就是一門關於「連結」的技術。
而我想，人類文明很多重要的進步，其實也都是如此。
我們不斷創造更好的工具，讓原本遙遠的東西靠近，讓原本孤立的系統彼此交換，讓資訊流動，讓不同領域相遇。
真正的連結並不是讓所有東西變成一樣。恰恰相反，它是在保留彼此差異的同時，仍然找到可以相通的道路。
電還是電，光還是光；晶片仍然負責計算，光負責把資訊送往更遠的地方。
各自成為自己，卻又彼此連結。
這或許也是「互連」這兩個字，在技術之外，帶給我的另一層想像。
所以，我很高興看到昇祐完成這本書。
我也相信，無論你是一位剛進入這個領域的學生、工程師，正在觀察產業的投資人、分析師，或只是對AI背後真正發生什麼事情感到好奇的讀者，都可以從這本書找到自己的入口。
你不一定需要記住所有名詞。
甚至不必記住所有數字。
如果闔上書的那一刻，你開始能夠想像：當我們在手機上輸入一個問題，當一個AI模型開始運算，當成千上萬顆GPU同時彼此「說話」，那一個又一個bit，如何變成光，沿著比頭髮還細的光纖奔跑，再回到晶片之中──那麼，你就已經看見了一個過去看不見的世界。
而理解，往往就是從這一刻開始。
世界一直都在那裡。
光也一直都在那裡。
有時候，我們所需要的，只是一個人替我們打開一扇窗。
很高興，昇祐寫了這本書。
也很高興，我能在這裡，把這扇窗推薦給你。

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〈自序 把看不見的光，說成看得懂的故事〉

幾乎每一則人工智慧的新聞背後，都藏著一個少有人談的角落：資料中心裡，成千上萬張晶片要像一個大腦般同步運作，而決定它們跑得多快、多省電的，往往是把它們連起來的那張網路。這張網路中，光所扮演的角色正逐年提升，戰線從長距離傳輸一路推進到機櫃之內，乃至把光學元件收進晶片封裝的光電共同封裝（Co-Packaged Optics, CPO）。
從晶圓製造、晶片設計、電子設計自動化，一路走到創辦Latitude Design Systems，打造矽光子晶片與系統的PIC Studio 設計平臺，串接北美、歐洲與亞洲的主要晶圓廠，涵蓋矽光子、磷化銦與薄膜鈮酸鋰三大材料。這段橫跨電子與光子的歷程，讓一件事看得格外清楚；這項牽動每個人數位生活的關鍵技術，卻始終只存在於少數工程師與研究者的視野裡。
臺灣第一本系統性的矽光子教科書《矽光子與資料中心光互連》剛剛完成，那是一本供專業人士研讀、涵蓋完整理論與設計流程的技術專著。然而，在撰寫與分享的過程中，我越來越清楚一件事：這是一個牽動產業與經濟的重要題目，值得被更多人看懂，卻始終缺少一本真正能帶領一般讀者入門的書。這本《圖解資料中心光互連技術》，正是為了填補這道空缺而誕生。
如果那本教科書是給選手的訓練手冊，這一本就是給觀眾與愛好者的入場導覽。它假設你一無所知，拿掉幾乎所有數學，改用生活化的比喻：光纖裡的全反射，像雷射筆的光沿著水柱一路前進；把0與1寫上光，就像開關水龍頭；不同距離使用不同的光模組，則像巷口用走的、城市之間搭高鐵。配上數十張原創插圖，只為了讓「光如何搬動世界的資料」變成你能親眼看見，也能講給別人聽的故事。
這本書首先是為剛踏入這個領域的工程師與學生而寫──想快速建立光互連全局觀、再深入鑽研技術細節的人，可以把它當作一張入門地圖；同時，它也服務投資人、分析師、媒體記者，以及產業裡非研發崗位的夥伴，乃至每一位對科技好奇卻沒有理工背景的讀者。讀懂它，不需要先修過任何物理。無論你以什麼身分翻開它，我都希望它能替你長出一種能力：再看到「某公司打入CPO供應鏈」這類新聞時，懂得追問它位於產業鏈的哪一段、採用的是已量產技術，還是仍在規劃或驗證中的方案──學會這樣提問，遠比記住任何一個結論都更有價值。
這本書能夠成形，以及我在矽光子這條路上的每一步，都承蒙許多師長與業界先進的指教。首先，感謝鴻海研究院半導體研究所所長暨陽明交通大學郭浩中教授，以及陽明交通大學劉柏村教授、張國恩教授，成功大學林志隆教授、黃尊禧教授，臺灣科技大學陳筱青教授，清華大學傅建中教授，臺灣大學蔡坤諭教授，以及臺灣海洋大學陳志榮教授，在專業上的多次討論與協作。業界方面，感謝ams OSRAM的M. Ashkan Seyedi博士、恩萊特科技蘇正宇總經理、西門子莊明峰經理，以及Lightmatter彭玄同博士、台灣應材藍章益博士、玉晶光電廖信旭協理、Latitude吳以珩先生、比利時根特大學陳凱文博士，與荷蘭在台辦事處宋家瑋博士，長期以來的交流與協助。
書中若有任何疏漏或錯誤，皆由作者本人負全部責任，也誠摯歡迎各界先進不吝指教、交流。
總會想起最初被這個領域打動的那一刻：一根比頭髮還細的玻璃絲裡，傳遞著一道肉眼看不見的紅外光，替全世界搬運著幾乎無窮的資訊──這件事本身就足夠美。臺灣正站在這場光通訊浪潮的中央，從磊晶、晶圓、先進封裝到系統整合，都握有世界級的實力。衷心期盼這本書能讓更多站在門外的人願意走進來，因為把光搬得更近、把世界連得更好，從來不是靠單一領域或單一種角度就能完成的。
謝謝你翻開這本書。願這趟旅程，帶給你一次又一次「原來如此」的驚喜。