深入研究服务器光相关内容，聊聊CPO基础及产业链参与者

最近开始研究服务器中跟“光”相关的东西，当然研究的深度还远远不够，所以自己研究到哪里就写到哪里。本文的内容参考自UBS的一篇分析，由于内容较多，我们分成两篇文章来写，第一篇主要讲一下CPO的一些基础：、量产面临的挑战、拐点什么时候出现、，第二篇讲CPO产业链的主要参与者。

昨天在星球中放了很多张GB200的图，关于哪些是铜、哪些是光，有兴趣的朋友可以到星球中查看。我们跟其他星球的区别在于我们不止提供行业信息，我们还会有些的内容，这在其他星球应该都比较少。星球中已经上传过很多CPO相关的资料。

光进铜退？

在数据中心网络领域，光纤正逐步取代铜缆，这背后是其在带宽、速度和长距离传输能力上的显著优势。如今，云人工智能的快速发展和旺盛需求，更将加速这一替代进程。未来 3 到 5 年，共封装光学（CPO）技术或许会成为支撑下一代 AI 服务器的关键，相比传统光学技术，它的系统集成能力更强，功耗也更低。

光纤相比铜缆的主要优势体现在多个方面。一是带宽更高，由于利用 “光” 而非 “电” 传输数据，光纤能承载远超铜缆的信息量，它可在更高频率下工作，还能同时传输多个信号且不损失质量，非常适合 800G、1.6T 及以上的高速互联场景。二是数据传输更快，光纤的传输速度约为光速的三分之二，远快于铜缆，这有助于降低数据中心网络的延迟，提升响应速度。三是传输距离更远，光纤的信号衰减极小，单模光纤的传输距离可达 100 公里，而铜缆受自身特性限制，在高速传输时距离通常不足 10 米，这让光纤更适合机架分布广泛的大型数据中心。四是可靠性更好，光纤受温度变化、湿度等环境因素以及电磁干扰（EMI）的影响更小，能在 AI 数据中心等高功率环境中保障数据传输的稳定性和一致性。五是空间效率更优，光纤更细、更轻、更坚固，易于操作，其小巧的外形能以更少的空间为服务器提供更大带宽。

长期以来，铜缆的电传输技术在现有数据中心基础设施中有着成熟的应用记录。行业仍在努力提升铜缆性能，短期内，在 AI 服务器的机架内部传输以及传统数据中心的短距离通信中，铜缆可能仍是主流网络技术。但未来几年，随着生态系统效率的提升和成本的持续优化，光纤在新建数据中心的应用增长将更为显著，使用范围也会更广泛。此外，光纤电缆的使用寿命（30-50 年）也远长于铜缆（5 年）。

在数据中心网络中，光纤的占比已达 60%，且这一比例还在不断上升。

随着对更快数据传输的需求日益增长，凭借上述优势 —— 更高的带宽、更快的传输速度、更远的传输距离、更强的可靠性以及不断下降的成本，光纤在数据中心通信市场的份额持续扩大。我们认为，近年来光纤在数据中心电缆市场的占比约为 60%。根据思科的数据，目前数据中心内服务器机架外部的大多数互联线路已升级为光纤，而机架内部的布线目前仍采用铜缆。

硅光子

硅光子技术能进一步提升传统光纤在速度、功耗方面的性能，并实现更优的集成效果。

随着数据传输带宽大幅提升以支撑云人工智能的发展，传统光纤数据传输在速度、效率和功耗上逐渐面临挑战。传统光收发器的供应链较为分散，涉及众多组件，技术迭代速度也较慢。如今，随着云人工智能的快速增长以及 AI 数据中心对光学器件的需求日益上升，行业正寻求对光传输技术进行革新。集成光子技术，尤其是硅光子技术，正成为数据通信和电信数据传输领域的关键技术。

尽管传统光纤在数据传输中的信号损耗小于铜线，但它也存在自身缺陷。为了实现光传输，光纤需要与波导、激光源、光电二极管 / 光探测器（PD）、光调制器等分立光子组件组装在一起，而这些组件往往由不同材料制成。这种分散的生态系统中，每个组件的生产规模都较小，这是阻碍技术快速迭代以及通过规模化降低成本的主要障碍。

正是出于这些原因，硅光子（SiPh）技术应运而生。硅光子技术是一种将分立的光子组件集成到单个基于绝缘体上硅（SOI）的晶圆衬底上，从而形成光子集成电路（PIC）的技术平台。采用 SOI 衬底的优势在于，它与标准的互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺兼容，这使得行业能够利用已有的大规模硅晶圆制造产能，加快技术发展速度。同时，硅光子技术还能让逻辑晶圆厂建立起自己的光子集成设计标准。

除了与 CMOS 工艺兼容这一优势外，硅光子技术相比传统光学解决方案，还能提供更高的带宽和更低的功耗。通过将光学组件集成到单个衬底上，这种结构紧凑、体积更小且集成度更高的设计，能让光在波导中传输时的损耗极低，同时显著降低能耗。这一技术有望为数据中心和电信行业带来颠覆性变革。

CPO

共封装光学（CPO）是下一代 AI 服务器的关键技术。作为一种先进的封装技术，它能将基于硅光子的光学组件（即光引擎）直接集成到单个交换机 ASIC/xPU 封装或 AI 加速器中。这一设计让光信号无需通过 PCB 上的铜缆传输，缩短了电信号路径，从而显著提升能效，还能增加带宽密度。

在数据中心，提升计算能力主要有两种方式：“纵向扩展” 和 “横向扩展”。纵向扩展指通过增加计算处理器、内存或存储来提升单台服务器或单个服务器机架的性能；横向扩展则是通过增加服务器数量，将工作负载分配到多个节点上。

目前，数据中心服务器或机架内部的 “纵向扩展” 互联大多依赖铜缆。铜缆技术成熟可靠，适合短距离（1-2 米以内）的数据信号传输。而 CPO 技术尚处于初期阶段，出于更换成本和难度的考虑，它会先应用于 “横向扩展” 互联场景。

全球最大的 OSAT 企业日月光绘制的 CPO 路线图显示了该封装技术的演进路径：每一代技术中，光引擎（OE）与 ASIC 的距离都在不断缩短。目前行业正处于板载光学的商业化阶段，同时持续创新，向 CPO 这下一代技术迈进。

CPO 与传统光纤产品（如四通道小型可插拔（QSFP）或 C 型可插拔（CFP）等可插拔光收发器）有显著区别。可插拔收发器通常插在交换机的前面板上，而非直接封装在交换机的封装基板上，这样出现问题时更易维护。

相比传统光纤，CPO 的优势主要体现在以下方面：

一是减少信号损耗和延迟。CPO 将光引擎集成到 ASIC 封装或中介层上，使 ASIC 与光学器件之间的路径从传统光学的数十厘米缩短到仅几毫米，大幅降低了有意义的信号损耗和延迟。

二是降低功耗。可插拔收发器通常集成基于数字信号处理器（DSP）的重定时器，而 DSP 功耗很高，约占模块总功耗的 25%-30%。由于 CPO 中 ASIC 与光学器件的传输路径极短，基本无需 DSP 执行 “重定时” 功能，部分 DSP 功能（如信号均衡）可由系统 ASIC 集成的 模块完成。这使得 CPO 方案的能耗较传统光模块降低多达 70%。

三是外形更紧凑，扩展性更好。CPO 能节省交换机 ASIC/xPU 封装所需的高密度 PCB 成本，且外形更小巧。相比之下，可插拔收发器需占用交换机前面板大量空间，而 CPO 能突破这一限制，提供更好的扩展性。

除 CPO 外，线性可插拔光学（LPO）是光传输领域的另一种技术路线。通俗来说，LPO 是不含 DSP 的可插拔收发器，其 DSP 功能集成在 ASIC 中，因此功耗低于传统光收发器。不过，由于仍需插在交换机前面板上，LPO 在扩展性上仍存在局限。

光引擎 ——CPO 的核心

CPO 封装中所搭载的光学组件包括光子集成电路（PIC）和电子集成电路（EIC）。这两种集成电路相结合，便构成了光引擎（OE），它被安装在基板上的 ASIC 芯片周围。光引擎的一种常见制造方式是通过晶圆级封装的 “混合键合” 技术，将 EIC 堆叠在 PIC 之上。光引擎是 CPO 概念的核心所在，它是实现硅芯片上电光与光电转换的主要部件，能让系统读取来自光纤电缆的光信号。

光引擎的制造存在多种技术路径，而台积电已研发出自己的 COUPE 技术（紧凑型通用光子引擎）。这是一种通用的光子引擎技术方案，通过混合键合工艺将 PIC 和 EIC 结合，并与主机 ASIC（可能是网络交换机或 AI 加速器 xPU）封装在同一个平台上。

光子集成电路（PIC）

PIC 是一种集成了多个光学组件的部件，每个组件都有特定功能（如波导、调制器、光电二极管等）。由于具备多功能性，PIC 可能由多种不同的材料平台组合制成。例如，硅可用于制造波导和调制器，而硅锗（SiGe）则可用于制作光电二极管。

PIC 通常包含以下组件：

光纤阵列单元（FAU）

光纤阵列单元是与光引擎的 PIC 键合在一起的连接器，其作用是实现光纤电缆与交换机基板的连接。一方面，在接收路径中，FAU 将输入的光信号传入 PIC，由 PIC 将其转换为电信号；另一方面，在从 ASIC 传出信号时，FAU 引导来自外部激光源的光，供调制器将数据编码到光上，同时 FAU 内部的透镜会聚焦光并将其反射到光纤中。

由于 FAU 要与光引擎一同组装在 CPO 结构内，因此它需要采用新型材料，以承受回流焊过程中约 260 摄氏度的高温。

目前有多家 FAU 供应商，其中友达光电（FOCI，3363.TWO）计划向台积电的 COUPE 技术供应其 FAU 技术知识产权。该技术采用特殊材料，能够承受高温环境。

激光源

由于硅本身无法发光，激光源作为核心部件，为 CPO 集成的硅光子芯片提供光功率，保障整个交换系统正常运行；但同时，激光源又十分脆弱，是系统中可靠性较低、经常需要更换的部件。目前，CPO 的激光源设计主要有两种：片上激光和外部激光。考虑到激光源的脆弱性，外部激光源（ELS）已被广泛认为是更可行的选择。

将激光源设计为外置可插拔式，能解决 CPO 系统的一大可靠性难题 —— 由于它没有与交换机和光引擎（OE）封装在一起，一旦出现故障，更换起来十分方便。外部激光源通常插在交换系统的前面板上，其发出的光通过板载光纤传输到光纤阵列单元（FAU），再进入光引擎进行信号调制。此外，激光源在信号传输过程中会产生大量热量，将外部激光源置于前面板，也便于更好地进行热管理，是较为理想的设计。

连续波激光器

在基于硅光子的激光传输中，连续波激光器（CW laser）是首选。这是因为硅光子方案将 “信号调制” 功能与 “光生成” 功能分离，而传统光模块采用的是电吸收调制激光器（EML），这种激光器将两种功能集成在单一芯片上。硅光子结构的优势体现在以下几点：

虽然硅无法生成光，但它在光调制方面性能出色。

连续波激光器可通过调制技术分离出多个通道，这种方式灵活高效，在成本和空间利用上更具优势，能支持 1.6T、3.2T 及更高带宽的需求。相比之下，传统光模块使用的 EML 或垂直腔面发射激光器（VCSEL），要支持更高带宽，就需线性增加激光单元的数量。

除了在高带宽场景下扩展性更好，连续波激光器的成本也低于 EML 激光器。而且，连续波激光器的行业产能充足，供应商数量也多于 EML 激光器，能充分满足需求。

连续波激光器的调制过程在靠近 ASIC 的光引擎上完成，这有助于提升信号完整性，同时降低功耗。

CPO 量产面临哪些挑战？

尽管 CPO 在性能和成本方面优势显著，但行业在量产过程中仍需解决一系列挑战：

首先是封装工艺复杂。CPO 系统需要高度复杂的先进封装技术，如混合键合或 2.5D/3D 封装，还需实现光学耦合的精密集成、严格的测试流程和良率管理，以确保系统可靠性。

其次是硅兼容性问题。业界存在疑问：基于硅的光子集成电路（PIC），尤其是光电二极管（PD），能否在性能上实现足够突破，与采用磷化铟（InP）光电二极管的传统光模块竞争。

再者是耐久性与热管理。由于所有光学组件将紧密封装在交换机 ASIC/xPU 系统内部，组件必须能承受高温并保持稳定性能，这对耐久性和热管理提出了极高要求。

最后是可靠性问题。光引擎（OE）与 ASIC 紧密集成在同一 PCB / 基板上（未来甚至可能集成在中介层上），这意味着生产或运行中只要单个光引擎失效，整个封装（包括高成本的交换机或 xPU 芯片）就可能报废。因此，封装前对光引擎的测试至关重要，直接影响产品良率和可靠性。

超大规模数据中心短期内采用 CPO 面临哪些挑战？

云 AI 领域的持续创新，推动超大规模数据中心（）对高性能计算（HPC）网络的高带宽、低延迟传输需求不断提升，同时还要求降低功耗。但超大规模数据中心可能会逐步采用这一新技术，因为它们需要先熟悉 CPO 技术及光学生态系统。

具体而言，超大规模数据中心需确保两点：一是系统可靠性（这需要时间让 CPO 通过云服务提供商验证并积累应用记录）；二是互操作性（不同解决方案提供商的 CPO 技术需兼容）。

此外，铜缆技术成熟，在机架内部 800G 甚至 1.6T 的短距离互联中性能表现良好。我们认为，至少在 2025-2026 年，超大规模数据中心仍会继续使用铜缆。

CPO 的应用拐点何时会出现？

交换机有望在 2027-2028 年左右向支持 3.2T 及以上速率的 CPO 技术迁移。CPO 正逐渐成为下一代带宽扩展的关键支撑技术，尤其是当交换机的性能触及传统可插拔光学器件的极限时。从商业化和应用层面来看，有意义的拐点可能出现在 AI 数据中心升级至每端口 3.2T 的阶段，这一时间预计在 2027-2028 年。在 3.2T 速率下，CPO 相比传统光学技术的优势将更为显著，包括信号完整性提升、功耗降低、散热性能改善等。不过，要让 CPO 在 3.2T 时代具备可行性并足够成熟以实现更广泛应用，行业现在就需要开始对 1.6T 解决方案进行试用。博通、英伟达等行业领军企业已纷纷推出自家的 CPO 解决方案，比如博通 2023 年推出的 TH5 ，以及英伟达计划 2025 年推出的 -X。

博通的 TH5 CPO 解决方案将 8 个 6.4T 光引擎集成到 5 ASIC 芯片上，每个光引擎为 64 个通道供能，每个通道的带宽为 100G。该交换机的前面板支持 128 个 400G/s 的连接端口，单颗 5 芯片的总处理带宽可达 51.2T/s。近期，博通又推出了最新的网络解决方案，其中 5 月发布的第三代 CPO 技术实现了 200G / 通道的突破，6 月推出的 6 芯片支持 102.4T/s 的带宽。

英伟达的 -X CPO 解决方案将 18 个 1.6T 光引擎集成到 -X800 ASIC 芯片中，每个光引擎为 8 个通道供能，每个通道的带宽达 200G。该解决方案的前面板支持 144 个 800G/s 的连接端口，4 颗英伟达 -X800 ASIC 芯片的总处理带宽可达 115.2T。

此外，英伟达还推出了 -X 以太网 CPO 解决方案，计划于 2026 年开始出货，该方案将 36 个光引擎集成到交换机 ASIC 芯片上。

现在对 1.6T CPO 解决方案进行试用至关重要，这有助于推动整个生态系统走向成熟：既能提高封装和集成的良率，验证系统的热管理能力，还能建立互操作性标准。尽管 1.6T CPO 解决方案可能不会得到广泛部署，但它是行业在未来几年推动交换机向 CPO 技术全面过渡的重要一步。

xPU 对 CPO 的采用会稍晚一些，但长期来看可能会推动 CPO 实现更大的出货量。

我们预计，xPU 向 CPO 的转型会比交换机稍晚，可能在 2028-2030 年。台积电 2024 年底发布的技术路线图显示，基于中介层集成的 xPU 相关 CPO 仍处于探索阶段。xPU 向 CPO 迁移速度较慢，原因在于其集成复杂度显著更高，且受到热管理方面的限制。GPU 和 AI 加速器的功率密度极高，在这样的热约束环境中集成光引擎，可能会带来散热、光学对准可靠性等方面的风险。由于光学器件对热量极为敏感，xPU 中的 CPO 架构需要同时优化光学器件的热稳定性和冷却系统设计，以确保光学操作的稳定运行。

尽管如此，当基于 xPU 的系统开始集成 CPO 时，其潜在出货量可能会远超交换机，尤其是对于需要高密度互联的纵向扩展 xPU 服务器而言。长期来看，随着 AI 服务器不断发展，在成本、功耗和密度方面实现进一步优化，CPO 有望成为一种日益重要的形态。

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