什麼是共封裝光學 (CPO)？

光互連的演進

過去數十年來,數據中心網路依賴可插拔光收發模組——透過光纖連接至交換器的獨立模組。隨著頻寬需求從 10G 成長至 400G 甚至更高,這種方式的限制日益明顯：功耗過高、交換器與光學介面訊號延遲、密度受限。

共封裝光學 (Co-Packaged Optics, CPO) 代表一種根本性的架構轉變：不再將光學元件作為獨立可插拔模組,而是將光學引擎整合至交換器封裝內,緊鄰 ASIC。

CPO 架構：交換器 ASIC 周圍配置光學引擎小晶片,頂部覆蓋鑽石散熱片,光纖陣列自側邊進入

CPO 為何對 AI 基礎設施至關重要

頻寬挑戰

AI 叢集需要 GPU 與交換器之間的巨大頻寬。一個擁有 16,000 顆 GPU 的現代 AI 叢集可能需要 12.8 Pbps 的總頻寬——相當於讓上海的每個人同時以 1Mbps 連線。

傳統可插拔光學難以有效滿足此需求：

功耗：400G 可插拔模組每個耗電 10-15W
密度：QSFP-DD 外型規格限制埠口密度
延遲：較長的電性走線增加奈秒級延遲

CPO 如何解決這些問題

挑戰	傳統可插拔	CPO 方案
每 800G 功耗	約 15W	約 5W(降低 60%)
電性路徑	30-50mm	小於 5mm
埠口密度	受模組尺寸限制	針對晶片級尺度最佳化
熱管理	獨立散熱片	鑽石熱擴散

CPO 架構：關鍵元件

交換器 ASIC

中央交換處理器(例如 Broadcom Tomahawk 6 達 102.4Tbps 或 NVIDIA Quantum-X 達 115.2Tbps)以極高速率執行封包交換。這些晶片內含數百條 SerDes 通道,以 100G 或 200G 運作。

光學引擎

每個光學引擎內含：

PIC(光子積體電路)

矽光子晶片,內含光調變器、光偵測器、光波導
通常為 8-16 通道,每通道 100G 或 200G
負責實際的光傳輸與接收

EIC(電子積體電路)

CMOS 驅動器與 TIA 電路
將來自交換器 ASIC 的電訊號轉換為光訊號
通常以 65nm 或更先進節點製作

熱挑戰

光學引擎消耗 50-100W,而交換器 ASIC 在同一封裝中消耗 500W+,熱管理成為關鍵：

鑽石基板 將熱擴散至整個封裝
BDD(硼摻雜鑽石) 上蓋同時吸收 EMI 並傳導熱量
微通道散熱 可整合以應對極高功率密度

業界採用時程

年份	里程碑
2019	CPO 概念於 OFC 展示
2022	Broadcom 宣布 Bailly 51.2T CPO 交換器
2024	CPO 交換器首次客戶交付
2025	NVIDIA Spectrum-X Photonics 於 GTC 發表
2025	Broadcom Tomahawk 6(102.4T)支援 CPO

主要廠商與其方案

Broadcom

平台：與 Google 合作開發客製 CPO 模組
光學引擎：自研 6.4Tbps 矽光子引擎
整合：每台交換器 8 個光學引擎

NVIDIA

平台：台積電 COUPE(緊湊型超密集光子引擎)
技術：SoIC-X 三維堆疊用於 PIC+EIC 小晶片
產品：Spectrum-X Photonics(Ethernet)、Quantum-X Photonics(InfiniBand)

中國生態

新華三(H3C)：51.2T CPO 交換器,用於本土 AI 叢集

CPO 與 ELSFP 比較：CPO 將交換器 ASIC 與光學引擎相鄰配置;ELSFP 將外部雷射模組透過光纖連接

華為：開發自有 CPO 解決方案
華工正源：符合 OIF-ELSFP-02.0 的 ELSFP 模組

ELSFP：外部光源替代方案

並非所有光學整合都遵循 CPO 路線。ELSFP(外部光源固定指標) 模組將雷射置於交換器封裝之外,透過光纖陣列連接。

特性	CPO	ELSFP
雷射位置	封裝內	外部模組
可維護性	有限(需更換整個模組)	雷射可現場更換
熱耦合	直接耦合至鑽石	透過光纖耦合
典型應用	高密度 AI 叢集	長距離、都會網路

未來發展

CPO 採用速度正在加快：

AI 叢集規模推動對更低功耗、更高密度的需求
102.4T 與 204.8T 交換器成為主流
標準化(OIF、IEEE 802.3)實現多廠商互通
矽光子製造良率持續提升