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Scale-up 互連從銅到光的必然演進(jìn)

隨著大模型架構(gòu)從 Dense 向 MoE 演進(jìn)，并融合訓(xùn)練與推理一體化范式，系統(tǒng)對(duì)互連網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)規(guī)模、帶寬密度、通信時(shí)延和運(yùn)行穩(wěn)定性等方面提出更高要求。高性能互連已成為制約超大規(guī)模 AI 集群效率與擴(kuò)展能力的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。

當(dāng)前主流 Scale-up 方案依賴機(jī)柜內(nèi)銅纜互連。盡管銅互連在成本與時(shí)延上具備優(yōu)勢(shì)，但其傳輸距離受限，迫使系統(tǒng)采用極致高密度、強(qiáng)耦合的“AI Rack”架構(gòu)，導(dǎo)致制造、布線、供電、散熱與運(yùn)維復(fù)雜度隨規(guī)模急劇上升。當(dāng)集群擴(kuò)展至百卡乃至千卡級(jí)別時(shí)，銅互連的物理覆蓋能力已接近極限。因此，從銅到光的演進(jìn)，成為 Scale-up 邁向更大規(guī)模、更高可運(yùn)維性的必然路徑。

阿里云全光 Scale-up 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)-UPN512

阿里云于 2025 年 10 月正式發(fā)布 UPN512（Ultra-Performance Network for 512 xPU）全光 Scale-up 架構(gòu)白皮書，提出基于單層以太網(wǎng)光互連的全新設(shè)計(jì)，旨在構(gòu)建“大規(guī)模、高性能、高可靠、低成本、易擴(kuò)展”的 xPU 互聯(lián)系統(tǒng)。

UPN512 通過光互連直接連接 xPU 與交換機(jī)，采用單層 CLOS 拓?fù)鋵?shí)現(xiàn) 512 顆 xPU 的全互聯(lián)，并為未來擴(kuò)展至 1K+ 節(jié)點(diǎn)預(yù)留架構(gòu)空間。該方案徹底消除機(jī)柜內(nèi)高速銅纜，顯著降低布線復(fù)雜度、散熱負(fù)擔(dān)、供電需求及運(yùn)維成本。

UPN 512 關(guān)鍵技術(shù)-NPO（Near-Packaged Optics）

NPO（Near-Packaged Optics，近封裝光學(xué)）是 UPN512 架構(gòu)的核心使能技術(shù)。它將光電引擎部署在靠近主芯片的位置，采用線性直驅(qū)（Linear Direct Drive）技術(shù)，省去傳統(tǒng)依賴先進(jìn)制程的 DSP 芯片，從而實(shí)現(xiàn)：

• 功耗降低 50%以上

• 成本下降 30%

• 端到端時(shí)延與銅互連相當(dāng)

• 供應(yīng)鏈更安全可控

相比 LPO（Linear-drive Pluggable Optics），NPO 提供更高的帶寬密度，并降低對(duì)主芯片 SerDes 性能的要求，更利于生態(tài)發(fā)展；相比 CPO（Co-Packaged Optics），NPO 采用標(biāo)準(zhǔn) LGA 連接器，保持光模塊的開放解耦特性，避免主芯片與光引擎綁定，更易被終端用戶采納。

基于NPO光互聯(lián)系統(tǒng)示意圖

阿里云選擇從 3.2T NPO 切入研發(fā)，基于 OIF 標(biāo)準(zhǔn)封裝，在僅 22.5mm × 35.1mm 的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn) 3.2Tb/s 傳輸帶寬。通過標(biāo)準(zhǔn) LGA 連接器，光引擎與主芯片實(shí)現(xiàn)物理與電氣解耦，延續(xù)了開放、繁榮的光模塊生態(tài)。該模塊同時(shí)支持硅光（SiPh）與 VCSEL 兩種技術(shù)路線，可靈活適配不同距離與應(yīng)用場景。

阿里云3.2T NPO模塊形態(tài)圖

基于硅光方案的3.2T NPO內(nèi)部結(jié)構(gòu)

全球首款 3.2T NPO 模塊成功點(diǎn)亮

近日，阿里云宣布全球首款基于 OIF 標(biāo)準(zhǔn)封裝的 3.2T NPO 模塊成功點(diǎn)亮，標(biāo)志著全光 Scale-up 邁入工程落地新階段。

該模塊基于兩顆 16 通道收發(fā)一體硅光芯片，搭配線性直驅(qū) Driver/TIA 芯片，采用成熟的 2D 封裝工藝，將光子集成電路（PIC）與電子集成電路（EIC）倒裝集成于 mSAP 基板上，具備快速量產(chǎn)潛力。

3.2T NPO全功能模塊（內(nèi)部芯片布局圖）

關(guān)鍵性能指標(biāo)如下：

• 發(fā)送端：光眼圖性能優(yōu)異，典型 TDECQ 僅為 1.9dB，全面符合 IEEE 802.3bs DR4 標(biāo)準(zhǔn)，可與傳統(tǒng)帶 DSP的 DR4 光模塊無縫互通，支持新舊架構(gòu)混合部署；

• 接收端：在 1E-6 誤碼率下，所有通道靈敏度優(yōu)于 -5dBm，確保充足鏈路預(yù)算；

• 功耗：典型功耗約 20W，顯著低于同帶寬 DSP 方案。

發(fā)送端光眼圖

接收端靈敏度

阿里云首個(gè) NPO 項(xiàng)目落地：國產(chǎn)四芯片交換機(jī)

阿里云已將 3.2T NPO 技術(shù)率先應(yīng)用于新一代國產(chǎn)四芯片交換機(jī)。該設(shè)備單機(jī)集成 4 顆 25.6T 國產(chǎn)交換芯片，總交換容量達(dá) 102.4T，并可通過升級(jí)至 4×102.4T 芯片平滑演進(jìn)至 409.6T 平臺(tái)。

創(chuàng)新之處在于：每顆芯片以細(xì)粒度端口模式（如256×100G）運(yùn)行，系統(tǒng)內(nèi)部將物理端口的多條 lane 拆分并連接到不同交換芯片，從而最大化單芯片 Radix 利用率，提升組網(wǎng)規(guī)模與靈活性。對(duì)外仍以 400G/800G 等主流端口形態(tài)交付，兼容現(xiàn)有 MPO 光纖布線體系。

為實(shí)現(xiàn)高密度交叉互聯(lián)，該交換機(jī)采用基于 NPO 的系統(tǒng)級(jí)光互連設(shè)計(jì)：

• NPO 模塊緊鄰交換芯片部署，在芯片側(cè)完成電-光轉(zhuǎn)換，大幅縮短電通道、減少信號(hào)損耗；

• 光信號(hào)經(jīng)前部集成的 Shuffle 光交叉模組匯聚后輸出至面板；

• 交換模組與 Shuffle 模組間采用快插式光連接，支持模組級(jí)熱插拔與獨(dú)立更換，將故障影響范圍收斂至最小單元，顯著提升現(xiàn)場運(yùn)維效率與系統(tǒng)可用性。

目前，該交換機(jī)已完成整機(jī)上電與核心功能驗(yàn)證，NPO 端口實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鏈路建立，項(xiàng)目正式進(jìn)入長期可靠性測(cè)試階段。

基于NPO的國產(chǎn)四芯片交換機(jī)硬件架構(gòu)圖

基于NPO的交換模組實(shí)物圖（包含散熱器）

基于NPO的交換模組實(shí)物圖（不含散熱器）

NPO 下一步規(guī)劃

阿里云基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部物理網(wǎng)絡(luò)研發(fā)團(tuán)隊(duì)正聚焦 NPO 在長期運(yùn)行下的穩(wěn)定性與故障率驗(yàn)證——這是決定全光 Scale-up 能否規(guī)?；涞氐年P(guān)鍵。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)正聯(lián)合多家頭部互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，在 ODCC（開放數(shù)據(jù)中心委員會(huì)） 推動(dòng) 6.4T UPO（Ultra Performance Optics）標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)，旨在構(gòu)建下一代高性能、低功耗、開放解耦的光互連生態(tài)。相關(guān)技術(shù)規(guī)范預(yù)計(jì)將于 2026 年發(fā)布，敬請(qǐng)期待。

阿里云將持續(xù)推動(dòng)光互連技術(shù)創(chuàng)新，加速 AI 基礎(chǔ)設(shè)施普惠化。

（來源：阿里云基礎(chǔ)設(shè)施）

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