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作 者

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究中心

概念定義

共封裝光學(xué)（CPO）是一種旨在通過將通信所需的重要元件（即光學(xué)及電子元件）更緊密地結(jié)合在一起，解決當(dāng)今數(shù)據(jù)密集網(wǎng)絡(luò)中日益增長的帶寬密度、通信時(shí)延、銅線傳輸距離以及電源效率挑戰(zhàn)的方案。

發(fā)展背景

云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)狂飆，數(shù)據(jù)量爆炸式增長，數(shù)據(jù)中心對通信帶寬和延遲要求極高，算力需求也猛增，光模塊需向更高帶寬、更低功耗升級。但傳統(tǒng)可插拔光模塊問題重重，其功耗在數(shù)據(jù)中心占比超30%，大規(guī)模部署能耗成本大；占PCB板邊緣空間，接口密度低，難滿足萬卡級超節(jié)點(diǎn)需求；與交換芯片間距大，高速電信號傳輸損耗大，加重定時(shí)器又增功耗與時(shí)延。CPO光電共封裝技術(shù)順勢而生，它將光引擎和交換芯片共封裝，用硅光等新材料優(yōu)化，把兩者間距縮至10mm內(nèi)，大幅降損耗、功耗，提集成密度。2023年，國際光互聯(lián)網(wǎng)論壇發(fā)布首個(gè)CPO草案，中國也出臺(tái)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在政策、算力、物聯(lián)網(wǎng)、AI發(fā)展推動(dòng)下，CPO正成為光通信架構(gòu)變革、產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵。

發(fā)展歷程

CPO共封裝光學(xué)的發(fā)展歷程始于傳統(tǒng)銅纜互連因功耗高、帶寬受限難以滿足高速傳輸需求，隨后可插拔光模塊雖通過縮短連接距離改善性能但仍存信號衰減問題；接著板載光學(xué)（OBO）與近封裝光學(xué)（NPO）階段通過優(yōu)化布局和縮短互連進(jìn)一步降低損耗；最終在2.5D/3D封裝技術(shù)推動(dòng)下，CPO實(shí)現(xiàn)光引擎與芯片的深度集成，通過將光學(xué)元件直接封裝在硅基板上或采用垂直互連結(jié)構(gòu)，大幅縮短信號傳輸距離、提升集成密度與能效，成為支撐數(shù)據(jù)中心、AI算力集群等場景高速光通信的核心技術(shù)。

圖1 CPO光電共封裝演進(jìn)過程

技術(shù)和應(yīng)用現(xiàn)狀

CPO光電共封裝是一種創(chuàng)新的光電子集成技術(shù)。它將激光器、調(diào)制器、光接收器等關(guān)鍵光學(xué)器件在芯片級別上進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)與芯片內(nèi)電路的直接集成。通過光互連技術(shù)的運(yùn)用，該技術(shù)顯著提升了通信系統(tǒng)的性能和功率效率。CPO技術(shù)將光引擎與電交換芯片共同封裝，打造出全新的芯片設(shè)計(jì)。CPO技術(shù)現(xiàn)在主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和AI算力集群，未來該技術(shù)還將向智能駕駛、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算等新興領(lǐng)域拓展。

CPO光電共封裝的顛覆性影響

CPO正在重塑行業(yè)的技術(shù)生態(tài)和升級發(fā)揮核心驅(qū)動(dòng)力作用。CPO光電共封裝通過將光引擎與電子芯片集成于同一基板，實(shí)現(xiàn)光信號與電信號的直連互連，徹底顛覆傳統(tǒng)可插拔光模塊的架構(gòu)。其顛覆性影響主要體現(xiàn)在三方面：一是大幅降低信號傳輸損耗與功耗，提升能效比，解決數(shù)據(jù)中心高密度計(jì)算場景下的散熱與能耗瓶頸；二是突破帶寬密度極限，支持400G/800G甚至更高速率傳輸，滿足AI訓(xùn)練、高性能計(jì)算等場景對超高速數(shù)據(jù)交互的迫切需求；三是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈重構(gòu)，從分立器件向高度集成化封裝演進(jìn)，上游芯片設(shè)計(jì)、封裝工藝及下游設(shè)備廠商協(xié)同創(chuàng)新。CPO正成為算力基礎(chǔ)設(shè)施升級的核心驅(qū)動(dòng)力，重塑數(shù)據(jù)中心、5G/6G網(wǎng)絡(luò)及邊緣計(jì)算的技術(shù)生態(tài)。

應(yīng)用場景

數(shù)據(jù)中心場景：CPO技術(shù)通過將光引擎與交換芯片直接封裝，實(shí)現(xiàn)毫米級光電信號傳輸，有效解決傳統(tǒng)可插拔光模塊在100G以上速率下的功耗、散熱及空間限制問題。在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心中，如AWS、微軟、Meta等云廠商已采用硅光集成的CPO方案，支持2公里內(nèi)高密度光互連，單比特能耗降至1.5皮焦以下，功耗較傳統(tǒng)方案減少40%-50%。

人工智能與高性能計(jì)算場景：CPO憑借高帶寬、低延遲（誤碼率降低兩個(gè)數(shù)量級）及低功耗特性，成為AI算力爆炸式增長的核心支撐。在AI訓(xùn)練和推理集群中，谷歌、英偉達(dá)的超算中心采用CPO技術(shù)實(shí)現(xiàn)GPU/TPU與光模塊的共封裝，解決“后摩爾時(shí)代”的算力瓶頸；HPC分解式架構(gòu)則通過OIO（光學(xué)輸入輸出）與CPO結(jié)合，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存、計(jì)算、存儲(chǔ)的動(dòng)態(tài)資源分配，提升AI工作負(fù)載效率。

5G/6G及邊緣網(wǎng)絡(luò)場景：CPO技術(shù)適配5G前傳、回傳網(wǎng)絡(luò)及未來6G的高帶寬需求。在5G前傳網(wǎng)絡(luò)中，CPO降低基站與核心網(wǎng)間傳輸延遲，支持毫米波、大規(guī)模MIMO等技術(shù)的數(shù)據(jù)高速回傳；邊緣計(jì)算與城域網(wǎng)則通過CPO實(shí)現(xiàn)低功耗、高密度光互連，滿足物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸需求。預(yù)計(jì)2027年CPO在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心收入占比超80%，并逐步滲透至邊緣網(wǎng)絡(luò)、量子通信等領(lǐng)域，成為下一代光通信核心技術(shù)方向。

技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

CPO技術(shù)面臨著嚴(yán)峻的散熱管理挑戰(zhàn)。由于它將光子引擎、激光器和計(jì)算芯片等高功耗元件緊密封裝在同一個(gè)基板上，這種高密度集成造成了顯著的發(fā)熱問題。多個(gè)熱源聚集在狹小空間內(nèi)，熱量相互耦合，極易導(dǎo)致局部過熱，從而嚴(yán)重影響芯片性能與可靠性。因此，必須設(shè)計(jì)極為高效且復(fù)雜的導(dǎo)熱、均熱與散熱結(jié)構(gòu)，這對傳統(tǒng)的熱管理方案提出了前所未有的考驗(yàn)。

CPO技術(shù)在生產(chǎn)制造上面臨著封裝良率與維護(hù)成本的挑戰(zhàn)。在封裝過程中，光電元件之間需要達(dá)到微米甚至納米級的對準(zhǔn)精度，任何細(xì)微的偏差、封裝翹曲或工藝損傷都會(huì)直接導(dǎo)致產(chǎn)品良品率下降。此外，這種高度集成的特性也帶來了維護(hù)難題，一旦某個(gè)核心元件發(fā)生故障，很可能需要更換整個(gè)昂貴的共封裝模塊，這使得其后期維護(hù)成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的、可插拔的光模塊方案。

未來展望

從未來展望看，CPO光電共封裝技術(shù)將在技術(shù)與應(yīng)用兩大層面深刻重塑信息產(chǎn)業(yè)格局。在技術(shù)層面，技術(shù)發(fā)展將聚焦于通過2.5D/3D先進(jìn)封裝、硅光技術(shù)與新型波導(dǎo)材料，實(shí)現(xiàn)更高的集成密度與更低的傳輸損耗。同時(shí)，協(xié)同設(shè)計(jì)理念將成為核心，推動(dòng)芯片架構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電路與封裝工藝的全面優(yōu)化，以系統(tǒng)性解決當(dāng)前在熱管理、測試良率與維護(hù)成本上的挑戰(zhàn)。未來，CPO將從一個(gè)“封裝”方案，演進(jìn)為一項(xiàng)平臺(tái)型的“系統(tǒng)級”工程技術(shù)。在應(yīng)用層面，CPO技術(shù)將成為支撐下一代高速信息基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵引擎。憑借超高帶寬、超低功耗與延遲的特性，使其成為下一代數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算集群和人工智能訓(xùn)練的理想互連方案。特別是在AI算力需求爆發(fā)式增長的背景下，CPO能夠有效突破“功耗墻”和“帶寬墻”，確保算力單元之間的高效連接，從而成為智算中心內(nèi)部光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的骨干技術(shù)。

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