電子發(fā)燒友網報道（文/梁浩斌）隨著AI應用對算力需求的爆發(fā)增長，數據中心互連的要求提高，光模塊逐漸從800G邁向1.6T之后，CPO技術也開始受到行業(yè)重視。而英偉達、博通等廠商近幾年不斷強調CPO的重要性，也使得CPO已經在業(yè)界成為了一個共識：數據中心互連技術的未來，需要CPO技術的支撐。

CPO即共封裝光學，是將光學收發(fā)器直接與交換芯片/計算芯片集成在同一封裝中的一種技術。傳統(tǒng)的可插拔光學模塊雖然在較低數據速率下仍有應用空間，但隨著數據中心內部流量以近30%的復合年增長率激增，在信號完整性、功率效率和帶寬密度方面面臨挑戰(zhàn)。CPO通過最小化電氣鏈路長度，在早期實現(xiàn)中將功耗降低30-50%，并支持每秒超過800G和1.6T的高數據速率。

在數據中心互連技術的演變中，從傳統(tǒng)銅線到光纖，再到CPO，尤其是CPO技術中還存在多個發(fā)展階段。下文就將通過六個部分，來回顧和展望數據中心互連技術的演變。

DAC電纜（銅質直接連接電纜）

在最早的數據中心內部互連中，數據傳輸是通過銅纜進行的，在這個階段的架構是以交換芯片（Switch）通過OSFP/QSFP-DD連接器連接到DAC電纜為主，支持112G LR速率。主要特點在于依賴純電氣連接，適用于短距離數據傳輸，比如數據中心內部的機架間連接。優(yōu)點包括成本低廉、部署簡單，且無需光學轉換設備，功耗也較低。然而，缺點也非常顯著，包括銅線信號衰減嚴重，傳輸距離有限（通常僅幾米），功耗較高，無法滿足高密度和高速度的應用需求。這一階段代表了早期數據中心的低帶寬解決方案，隨著數據爆炸增長，已逐漸被光學技術取代。

可插拔光模塊

進入光通信時代，最廣泛應用的也是現(xiàn)階段常見的可插拔光模塊。交換芯片通過OSFP/QSFP-DD/COBO連接器連接到TRX（光收發(fā)器）模塊，再延伸到光纖，支持112G VSR（極短距離）/C2M（芯片到模塊）接口。

這種模式中，光模塊支持熱插拔，維護和升級都較為方便，優(yōu)點就在于靈活性高，標準化的光模塊易于替換升級，可以擴展傳輸距離并提升帶寬。而缺點是交換芯片到板邊緣的電氣鏈路仍然較長，導致導致信號損失和功耗增加，同時TRX采用Retimer和均衡器實現(xiàn)信號處理，功耗也較高。目前主流的數據中心內，中距離連接普遍采用光模塊，但隨著AI算力的需求不斷增長，未來將逐漸難以應對AI負載的需求。

當然，目前針對成本和800G解決方案的需求，也演變出LPO（線性可插拔光學）和LRO（線性接收光學）兩種技術路徑。

LPO是一種低功耗的可插拔光學模塊技術，它通過直接驅動光學組件，而非依賴傳統(tǒng)的DSP進行信號重定時和補償。在傳統(tǒng)光學模塊中，DSP負責處理信號失真、時鐘恢復和均衡，但這會消耗大量功率，尤其對于800G及以上速率的光模塊中。LPO則將DSP功能移到主機側，比如交換機ASIC上，從而簡化模塊設計，實現(xiàn)更低的功耗、更低成本和更低延遲。

而為了進一步降低功耗，在LPO的基礎上也演變出LRO技術。LRO同樣是省去DSP，相比LPO更加強調接收端的信號線性化，結合硅光技術實現(xiàn)高集成度，相比LPO的功耗更低，并在未來可以與CPO結合提升系統(tǒng)的整體效率。

板載光模塊（OBO）

作為過渡階段，OBO將光學模塊移到電路板上。結構上，交換芯片通過COBO連接器連接到TRX，再經被動連接器到光纖，仍使用112G VSR/C2M接口。

特點在于縮短了電氣鏈路，提高了集成度。優(yōu)點包括減少板邊緣連接，提升密度和效率；被動連接器簡化了光纖管理。缺點是模塊仍獨立于Switch，熱管理和功耗優(yōu)化有限，無法實現(xiàn)更深層的集成。這一階段適合需要更高密度的系統(tǒng)，但尚未達到CPO的完整潛力。

2.5D共封裝光學

CPO技術的真正起點是2.5D CPO，這個階段的互連速率可以高達25Tb/s甚至50Tb/s，遠超傳統(tǒng)可插拔模塊。2.5D CPO中交換芯片ASIC直接與光學引擎封裝在同一基板上，核心結構基于硅中介層，將多個芯片并排放置，通過銅柱微凸點實現(xiàn)電氣連接，以支持高密度互連。相比3D堆疊，2.5D的側向布局簡化了制造工藝，但仍可以提供比2D封裝更高的集成度。

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來源：APNIC Blog

2.5D CPO特點在于引入模塊化芯片組設計，將Switch分解為可定制組件，進一步集成光學引擎。通過縮短電氣鏈路長度，減少信號損失和功率消耗。博通和英偉達的報告顯示，與傳統(tǒng)光模塊相比，2.5D CPO功率效率可提升3.5倍以上，每bit功耗降至<5 pJ/bit。

而缺點是芯片組集成增加了設計復雜度，中介層對準和鍵合要求高，需要先進封裝技術。這一階段針對未來超大規(guī)模數據中心，支持Tb/s級AI訓練應用，英偉達、博通已經有部分交換機產品應用了這項技術。

2.5D Chiplet CPO

2.5D Chiplet CPO是2.5D CPO的高級變體，將chiplet設計融入到2.5D封裝框架內，實現(xiàn)光學和電子組件的模塊化集成。其核心同樣是基于硅中介層，通過RDL和TVS連接多個Chiplet，支持高密度互連。其中，交換芯片被分解成多個小的Chiplet，比如將計算、I/O、內存等模塊分解，與PIC并排放置。

而光學組件包括激光器、調制器、探測器等與Chiplet異構集成，這種設計可以獨立優(yōu)化每一個模塊，便于升級和定制。在制造層面上，Chiplet間的對準和互連要求高，可能增加制造難度?？傮w來看，2.5D Chiplet CPO是CPO邁向3D封裝的過渡階段。

3D CPO

通過3D封裝，CPO技術達到了最先進的階段。通過垂直堆疊光學和電子組件，實現(xiàn)更高的集成度和性能優(yōu)化，并解決了2.5D CPO的面積限制和信號延遲問題，能夠支持超過100Tb/s的帶寬。
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來源：Alphawave semi
3D CPO的核心結構基于垂直堆疊和TSV技術，將光學和電子層疊加，實現(xiàn)無縫集成。硅光子芯片作為基底層，集成激光器、波導、光學切換和路由功能。上層堆疊電子集成電路如ASIC和PIC，通過TSV和微凸點實現(xiàn)層間互連，實現(xiàn)更短的跡線，減少信號損失。

計算芯片如ASIC，被多個硅光子IC收發(fā)器芯片組包圍，垂直堆疊在中介層上。光學引擎包括調制器、探測器和光纖陣列單元FAU，直接與電子層耦合。激光源則置于基底層，光信號通過波導垂直傳輸到上層。外部光纖通過FAU連接，支持高密度接口如USR/XSR。

相比2.5D的側向布局，3D堆疊減少了占用面積，實現(xiàn)更緊湊的設計。但與此同時，其面臨的制造和熱管理難度也非常大，制造中層間對準和TSV要求高，良率較低，成本較高；垂直堆疊增加熱密度，需要有更好的散熱方案。

總體來說，3DCPO通過垂直堆疊實現(xiàn)光學與電子的深度融合，提供超高性能、低功耗的解決方案。它在結構上強調層疊集成，在特點上突出密度和效率，是未來的CPO技術趨勢之一。

寫在最后：

從銅線DAC到3D CPO的六個發(fā)展階段背后，是數據中心互連需求不斷提高的需求，高速互連逐步從電氣依賴轉向光學主導，并在光學階段進一步出現(xiàn)多種技術路徑的演變。未來，隨著制造技術的成熟，光學技術將推動數據中心向更高算力、更高效的方向發(fā)展。