----追光逐電 光引未來----
·一 CPO 技術概述與背景
·二 CPO 技術體系與關鍵路徑
·三 核心廠商與技術方案
·四 封裝工藝與互連技術
·五 光源方案
·六 CPO vs 其他方案對比
·七 市場趨勢與產業化進展
·八 挑戰與展望
CPO（Co-Packaged Optics，共封裝光學）是一種將光學引擎（光收發模塊）與交換芯片（ASIC）共同封裝在同一基板上的技術方案。與傳統的可插拔光模塊不同，CPO 將光學接口直接靠近 ASIC 芯片放置，大幅縮短了電信號的傳輸距離。
傳統可插拔光模塊中，ASIC 與光模塊之間的電信號走線距離通常為 150-200mm，在 112Gbps PAM4 信號下，PCB 走線的電損耗高達 0.25dB/mm，而光纖損耗僅為電損耗的百萬分之一。CPO 的核心優勢正是通過縮短電信號路徑來顯著降低功耗和信號損耗。
CPO 的概念最早在 2019 年前后由 Facebook 等互聯網巨頭提出。2020 年，Facebook 發布了第一代和第二代 CPO 方案。CPO MSA（多源協議）聯盟隨后成立，推動了 CPO 的標準化進程。
2020-2022 年是 CPO 技術探索期，多家廠商在 OFC 和 ECOC 上展示原型方案。2023-2024 年，CPO 進入加速發展期，Nvidia、Broadcom、Intel 等頭部廠商陸續發布商業化路線圖。2025-2026 年，CPO 開始進入初步商用階段，Nvidia 發布采用 TSMC 硅光 CPO 的 Q3450-LD 交換機初步版本。
功耗瓶頸：AI 大模型訓練對網絡帶寬的需求呈指數級增長，800G/1.6T/3.2T 光模塊的功耗隨速率同步攀升。CPO 通過取消 DSP（數字信號處理器）和縮短電信號距離，可將每比特功耗降低 30-50%。
信號完整性：在 112Gbps/224Gbps PAM4 信號下，傳統 PCB 的趨膚效應和介質損耗極為顯著。CPO 將電信號路徑縮短至毫米級，從根本上解決了高頻信號完整性問題。
端口密度：隨著 AI 集群規模擴大，交換機端口密度需求持續增長。CPO 的光引擎可以直接集成在封裝基板上，避免了前面板熱插拔接口的物理限制。
硅光（Silicon Photonics）是 CPO 最重要的基礎技術平臺。通過在標準 CMOS 工藝線上制造光子器件（調制器、探測器、波導等），硅光實現了光電子器件的大規模、低成本集成。
GlobalFoundries 從 2011 年進入硅光領域，收購 IBM 的硅光產線和專利后，已推出第三代 45nm 硅光工藝平臺。45nm 工藝相比前代 90nm 工藝，結電容更小、RC 下降、帶寬提升，并且將 CMOS 電子電路與硅光集成在單一芯片上。
TSMC 同樣在硅光 CPO 領域投入巨大，其 COUPE（Compact Universal Photonics Engine）技術和 CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）封裝方案是 Nvidia CPO 交換機的核心基礎。
微環調制器（Micro-Ring Modulator）是 CPO 實現波分復用（WDM）的關鍵器件。通過多個不同半徑的微環諧振器，可以在單一波導上實現多波長復用，大幅提升單根光纖的傳輸容量。
AMD 聯手 GlobalFoundries 推廣 MRM CPO 方案。微環調制器的核心優勢是尺寸小、功耗低，但其溫度敏感性是主要挑戰——TSMC 曾專門研究 CPO 封裝對微環調制器溫度穩定性的影響。OCI MSA（光計算互連標準）明確采用微環調制器作為核心器件，每方向 200Gbps（4×50G NRZ），波長間隔 400GHz。
VCSEL（垂直腔面發射激光器）多模 CPO 方案由 Finisar（現 Coherent）和 IBM 主導，有多年的技術積累。VCSEL 方案的優點是成本低、工藝成熟，但受限于多模光纖的傳輸距離和帶寬。
Intel 在 2024 年重新拾起 VCSEL 方案，采用角度部署方式尋找最佳性價比。Coherent 則持續推廣用于 Scale-Up 場景的多模 VCSEL CPO 方案，認為在短距離（<50M）場景中，多模方案的綜合成本優勢明顯。
薄膜鈮酸鋰（Thin Film Lithium Niobate, TFLN）調制器以超高帶寬（>110GHz）和低驅動電壓著稱，是 1.6T/3.2T CPO 的重要候選技術。華為海思在 TFLN 領域達到 540Gbps EML 調制水平。TFLN 的挑戰在于與硅光平臺的異質集成工藝。
電吸收調制激光器（EML）是當前高速光模塊的主力方案。三菱、博通等廠商持續推動 EML 帶寬提升，已實現 100GHz 以上帶寬的差分 EML。在 CPO 場景中，EML 的優勢是技術成熟度高、產業鏈完整。
Nvidia 是 CPO 領域最具影響力的推動者之一。2025 年 9 月，Nvidia 發布采用硅光 CPO 的產品路線圖，年底更新規格書增加了 Q3450-LD 的初步版本——這是使用 TSMC 硅光 CPO 的交換機。Nvidia 提出的 CPO 實際上包含兩套不同方案：一套用于 Scale-Up（GPU 之間互聯），另一套用于 Scale-Out（交換機之間互聯）。Nvidia 預計 2025 Q3 推出 CPO 光引擎的 IB 交換機。
Broadcom 在 CPO 技術演進上投入大量資源。從 2021 年的 25.6T CPO 交換機（基于 8×3.2T 光引擎），到 2022 年發布第二代 51.2T CPO，再到 2024 年的 102.4T CPO 路線圖。Broadcom 采用 TMV（Through Mold Via）晶圓級封裝技術，外置 ELS 激光器方案，光引擎功耗從早期的 11-16W/800G 降低到 5.5W/800G。
Intel 在硅光集成領域有深厚的積累。Intel 的硅光 CPO 方案涵蓋 VCSEL 多模和硅光單模兩條路線。在 OCI（光計算互連）方面，Intel 率先提出硅光微環調制器方案用于芯片間互聯。Intel 還基于玻璃波導基板開發了用于 CPO 的活動光連接器。
思科在硅光集成布局很早，收購了 Luxtera 和 Acacia 等多家硅光技術公司。思科推出 3.2T CPO 方案，通過雙層氮化硅波導結構降低硅光芯片翹曲度。思科還提出支持可插拔的 CPO 光接口方案。
Marvell 從產業生態視角分析 CPO，認為 CPO 的生態系統正在逐步成熟。Marvell 與 A*STAR 合作基于 TMV 的 CPO 晶圓級封裝，并與 Samtec 合作 CPC（Co-Packaged Connectivity）+ CPO 插座的射頻信號評估。Marvell 發布了面向超 CPO（Beyond CPO）的封裝技術演進路徑。
Coherent（原 Finisar / II-VI）在多模 VCSEL CPO 領域有十余年積累。Coherent 對 CPO 做了系統性的現狀與展望梳理，認為 CPO 在 Scale-Up 場景有獨特優勢，提出"寬而慢"VCSEL CPO 方案來降低功耗。
Ranovus：最早在 OFC 上演示 CPO 的廠商之一，與 AMD 合作在 GlobalFoundries 流片，采用微環調制器方案。2020 年開始連續多年演進，2025 年發布 6.4Tbps CPO 模塊（8×800Gbps），采用 LGA 電接口和固定式光學接口。
臺積電（TSMC）：作為晶圓代工廠，TSMC 研究 CPO 封裝對微環調制器溫度穩定性的影響，推出 COUPE 硅光子平臺和 CoWoS 封裝方案。
日月光（ASE）：封裝代工廠正在切入 CPO 光電器裝，探索多種工藝路線。
矽品（SPIL）：研究 CPO 光芯片與電芯片的互聯工藝，推動扇出型封裝在 CPO 中的應用。
康寧（Corning）：基于玻璃基板的 CPO 封裝概念，利用玻璃波導的可插拔 MPO 接口，開發低彎曲損耗的玻璃波導工藝。
CPO 封裝涉及 2.5D 和 3D 兩種主要形式。2.5D 封裝是將 ASIC 芯片和光學引擎并排布置在硅中介層（Interposer）上，通過硅通孔（TSV）互連。3D 封裝則是將光學引擎堆疊在 ASIC 芯片上方或嵌入式集成。
區分 CPO、OIO（Optical I/O）、Chiplet 和 2D/3D 封裝是理解技術體系的基礎。CPO 強調光引擎與交換芯片共封裝；OIO 聚焦光學 I/O 接口本身；Chiplet 是更通用的芯片拆分組合概念；2D/3D 描述的是封裝維度。
TSV（硅通孔）是傳統 3D 封裝的關鍵技術，但硅-氧化硅-金屬之間的寄生電容限制了射頻帶寬（f=1/2πRC）。TMV（Through Mold Via）或 TGV（Through Glass Via）技術可以提高封裝時的射頻帶寬，不同廠商選擇了不同的技術路線。
Broadcom 的 51.2T CPO 交換機采用 TMV 晶圓級封裝。Intel 采用高頻玻璃封裝基板來提高可靠性。AMF 則使用 TMV 提高 8×224Gbps LPO 硅光封裝的射頻帶寬。
CPO 的光學耦合是關鍵技術難點。主要方案包括：
邊緣耦合：硅光波導與光纖陣列（FAU）直接對準，存在"重心偏移"問題，需要精密的機械對準結構。
光柵耦合：通過表面光柵將光垂直耦合進出芯片，工藝簡單但帶寬受限。
擴束（EBO）耦合：Teramount 的 TeraSPOT 技術采用透鏡擴束的非接觸式耦合。Molex 收購 Teramount 后，進一步拓展 EBO 光學在 CPO 市場的應用。3M 的 TIR（內全反射）擴束光纖連接器也在 Molex 的 EBO 方案中應用。
玻璃波導扇出：康寧提出的方案，在玻璃基板中制作波導，實現硅光波導（50μm 間距）到光纖（250μm 間距）的扇出過渡。
CPO 將光引擎和 ASIC 集中封裝，熱密度極高。Nvidia/Broadcom 的 CPO 方案需要通過液冷或先進散熱方案解決熱管理問題。IBM 對硅光 CPO 組裝工藝進行了可靠性熱應力分析，驗證了不同封裝材料的匹配性。
中興等廠商提出支持 CPO 的液冷光模塊結構，通過微通道液冷方案實現高效散熱。光引擎的熱管理直接影響激光器的波長穩定性（對微環調制器尤其關鍵）和整體系統可靠性。
ELSFP（External Laser Small Form-factor Pluggable）是 CPO 的主流光源方案。激光器單獨封裝在可熱插拔的小模塊中，通過光纖將 CW（連續波）光輸入到 CPO 光引擎。2022 年 ELSFP 標準草案提出，2023 年發布 V1.0 版本。
ELSFP 采用 OSFP 外形，支持光電同口設計。電接口每引腳最大電流支持 0.5A，模塊功耗分級從 0.5W（LP）到 40W+（HP）。光學接口采用兩組 MT，支持接觸式和非接觸式（氣隙）兩種結構。
ELSFP 的核心優勢：激光器故障率較高，可熱插拔降低維護時間；無需切換系統電源，提高系統可靠性與可控性；支持眼安全盲插型光學連接結構。
部分 CPO 將激光器直接集成在硅光芯片上。住友、Lumentum、旭創等廠商推出用于 CPO 的大功率 CW 激光器。住友的 DFB+SOA 集成方案，3mm 長度，采用底部光柵結構。Lumentum 和旭創的 DFB 和 SOA 共用電極，通過量子阱上方掩埋光柵實現。
大功率 CW 激光器（23dBm/25dBm）是 CPO 光源的關鍵需求。古河等廠商在 ELSFP 中集成高功率激光器，以滿足 CPO 光引擎的功率預算。
下一代 CPO 中開始采用 MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）方案替代大功率激光器。MOPA 將低功率種子光源與半導體光放大器（SOA）分離，以更低的成本實現高功率輸出。
對比維度 | 傳統可插拔 | CPO |
電信號距離 | 150-200mm | 數毫米 |
功耗 | 高（含 DSP） | 低 30-50%（無 DSP） |
端口密度 | 受前面板限制 | 可大幅提高 |
可維護性 | 即插即用 | 維修復雜 |
產業鏈 | 成熟 | 建設中 |
標準化 | 完善 | 進行中（OIF、MSA） |
成本 | 較低 | 初期較高 |
CPO 不會完全替代傳統可插拔光模塊。在長距應用和存量市場，可插拔仍有優勢。CPO 主要解決 AI 集群中短距、高密度、低功耗的網絡互聯需求。
LPO（Linear-drive Pluggable Optics，線性直驅光模塊）與CPO 都旨在取消 DSP 以降低功耗。LPO 保留可插拔的外形，但去掉 DSP 芯片；CPO 則從根本上改變封裝形態。
LPO 的優勢是兼容現有可插拔生態系統，部署門檻低。CPO 的優勢是功耗優化更徹底、端口密度更高。兩者并非競爭而是互補關系——LPO 適用于中距離場景，CPO 適用于超短距離、超高密度場景。
NPO（Near-Packaged Optics，近封裝光學）是 CPO 的過渡形態。在 NPO 中，光學引擎和 ASIC 各自封裝，但放置在非常接近的位置（通常在同一 PCB 子板上）。Broadcom 將 CPO 1.0 稱為 NPO，而 CPO 2.0 才是真正的共封裝。
OBO（Optics on Board）：光學引擎放置在交換母板上，屬于更松散的集成形式。
OIO（Optical I/O）：聚焦于芯片間的光學互連接口，是 CPO 的技術子集。
OCS（Optical Circuit Switch）：光路交換機，與 CPO 結合用于大規模 AI 集群的網絡拓撲。Nvidia 在下一代 AI 系統中同時采用 CPO 和 OCS，兩者并非綁定關系。
從 2012 年起，數據中心市場進入快速發展期。2017-2019 年，400G 光模塊進入產業部署周期。2019 年 CPO 聯盟成立，推動 CPO 技術標準化。2022 年，CPO 光引擎標準演進到 2.0 版本。
AI 大模型訓練驅動 800G/1.6T/3.2T 光模塊需求爆發。在超大規模數據中心中，CPO 技術對降低功耗的作用日益突出。多家市場研究機構預測 CPO 市場將在 2027-2028 年進入規模商用期。
當前 CPO 產業呈現以下特征：
·標準推進：OIF 啟動 3.2T CPO 模塊標準化，OCI MSA 確立微環調制器方案
·頭部投入：Nvidia、Broadcom、Intel、Cisco 已展示可量產級別的 CPO 方案
·封裝突破：TSMC、ASE、SPIL 等封測廠商切入 CPO 封裝
·供應鏈建設：ELSFP 光源、透鏡擴束連接器、玻璃基板等配套產業鏈逐步形成
·產品落地：Nvidia 的 Q3450-LD CPO 交換機進入初步版本階段
場景 | 距離 | 推薦方案 | 理由 |
GPU Scale-Up（NVLink 等） | <1M | CPO / 銅纜 | 超短距、極低延遲 |
GPU Scale-Out（IB/以太網） | 2-500m | CPO / LPO | 低功耗、高密度 |
Spine-Leaf 互聯 | 500m-2km | 可插拔光模塊 | 標準化、維護便利 |
DCI（數據中心互聯） | 2km+ | 相干光模塊 | 長距、DWDM |
散熱問題：高密度集成導致熱管理困難，液冷方案增加了系統復雜度。
測試良率：光學芯片與電芯片共封裝的測試和良率控制是量產瓶頸。
可維修性：光引擎無法單獨更換，故障時可能需要更換整個封裝模塊。
光源壽命：激光器是故障率最高的組件，ELSFP 雖然可插拔但增加了系統復雜度。
標準化：接口標準、外形尺寸、測試方法等仍在演進中。
超 CPO（Beyond CPO）：Marvell 提出的下一代概念，將光互連進一步推向芯片級集成。
CPO + OCS 融合：Nvidia 在下一代 AI 組網方案中同時引入 CPO 和 OCS，兩者互補。
CPO 的代際演進：從 NPO（CPO 1.0）到真正的共封裝（CPO 2.0），再到共中介板封裝（IPO），工藝難度和性能持續提升。
3D 集成：未來的 CPO 將向 3D 堆疊方向發展，進一步提升集成度。
小結：CPO 技術正處于從原型驗證向規模商用過渡的關鍵時期。雖然面臨散熱、良率、成本等挑戰，但在 AI 算力驅動的強力需求下，Nvidia、Broadcom、Cisco 等頭部廠商已明確產品路線圖。CPO 不會完全取代傳統可插拔光模塊，而是在超大規模 AI 集群的超短距、超高密度互聯場景中發揮不可替代的作用。產業鏈各方正在加速推進標準化和量產準備，預計 2027-2028 年將進入規模商用階段。
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