CPO，势不可挡

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文章摘要

数据中心向CPO（共封装光学）交换机的转型已成为不可避免的趋势，主要驱动力在于CPO技术带来的显著功耗节省。2025年OFC展会上，众多厂商展示了集成在ASIC封装内的光引擎，标志着CPO技术的广泛应用。然而，Arista联合创始人安迪・贝托尔斯海姆仍主张线性可插拔光学（LPO）是更优选择，尤其是在1600G代际，LPO与CPO的功率效率相当，且LPO移除了板载数字信号处理器，功耗较传统可插拔光学器件降低30-50%。尽管如此，CPO在高SerDes速率下展现出独特优势，尤其是在400G每通道代际，CPO可能成为唯一可行选择。

CPO技术的主要挑战包括配置灵活性、光器件混合搭配的困难、以及可维护性问题。光模块的硬故障和软故障率较高，CPO的封装内光端口故障可能导致交换机吞吐量下降，且更换时间较长。然而，行业在过去两年取得了显著进展，CPO的可靠性大幅提升，未来在更高带宽需求下，CPO的优势将更加明显。

CPO的集成方式主要有两种：硅中介层方案和有机基板方案。硅中介层方案通过高密度D2D链路和中介层布线缩短核心裸片与光引擎之间的电连接，但热管理复杂且成本较高。有机基板方案则将光引擎保留在ASIC封装内的有机基板上，允许光引擎间隔布置，有助于热隔离和模块化测试。有机基板方案因其灵活性和较低的成本成为主流选择。

带宽密度是衡量CPO解决方案的重要指标，定义为沿光接口集成边缘每毫米可传输的数据量。更高的带宽密度意味着芯片可在不增加占用面积的情况下输出更多光带宽，这对满足数据中心和高性能计算系统的带宽需求至关重要。

博通和英伟达的CPO产品在封装带宽、光引擎、光纤耦合、激光器集成等方面展现出不同的技术路径。博通的Bailly CPO交换机基于Tomohawk-5 ASIC，封装内集成了八个6.4 Tbps光引擎，总封装外光带宽为51.2 Tb/s。英伟达的Quantum-X InfiniBand交换机则具备144个800 Gb/s端口，总计115.2 Tbps带宽，采用可拆卸光子模块设计，提升了可维护性。

光纤耦合和激光器集成是CPO设计中的关键环节。博通采用边缘耦合方案，通过高密度光纤连接工艺实现紧凑的光通道布局。英伟达则通过减少激光器数量，降低了系统复杂性和功耗。两种方案均实现了显著的功率效率提升，单位比特功耗较传统可插拔模块大幅降低。

未来，CPO技术将继续演进，垂直耦合、多芯光纤、密集光纤和新型连接技术有望进一步提升前沿密度。这些技术将结合多种方法，以在给定边缘长度内提升总封装外带宽。然而，CPO的部署仍面临生态系统颠覆、运营复杂性、可靠性验证、成本和热管理等挑战。尽管短期内CPO在横向扩展应用中难以大规模部署，但在纵向扩展用例中，CPO的前景更为光明，尤其是在机架内连接和光背板链路中。

光子织物和中介层技术是CPO的长期发展方向，有望为超大规模集成提供更高效的光互连解决方案。这些技术通过3D堆叠配置，将光引擎置于核心裸片下方，提供更长的“边缘”和更高的带宽密度。尽管热管理仍是主要挑战，但光子织物技术为未来光互连的广泛应用铺平了道路。