通信行业深度报告：深度拆解CPO：AI智算中心光互联演进方向之一

AI光通信时代，CPO迎三大产业变化 （1）变化1：硅光技术加速发展，CPO硅光光引擎不断成熟。硅基光电子具有和成熟的CMOS微电子工艺兼容的优势，有望成为实现光电子和微电子集成的最佳方案。硅光光引擎作为当前CPO光引擎的主流方案，硅光技术的成熟有望进一步带动CPO的发展；（2）变化2：龙头厂商积极布局CPO，进一步催化CPO产业发展。Intel、Broadcom、Raonvus、AMD、Marvell、Cisco等各大芯片厂商均有在近年OFC展上推出CPO原型机，Nvidia及TSMC等厂商也展示了自己的CPO计划；（3）变化3：AI时代高速交换机需求增长，CPO是在成本、功耗、集成度各个维度上优化数据中心的光电封装方案，优势不断凸显。 CPO有望带动硅光光引擎、CW光源、光纤、FAU、MPO/MTP等需求增长光子IC(PIC)和电子IC（EIC）组成光引擎，实现光电转换的高性能光引擎（PE/OE）是CPO技术的核心，硅光技术是目前CPO光引擎的主要解决方案；外部激光源（ELS）是硅光CPO的主流选择，当前主流硅光CPO将连续波（CW）激光器光源单独外置，作为高密度封装体的外围可插拔单元；CPO内部光纤路由方面，硅光光引擎通过与光纤阵列单元（FAU）耦合实现光的进出。在光纤线束管理方面，可进一步引入光纤柔性板（Fiber Shuffle）、带状光纤（Fiber Ribbon）、光缆捆束（Fiber Harness）、光纤带集线器（Fiber ribbon accumulator）、光纤预装盒等来提高光纤的可靠性。使用CPO的光纤链路包含更多的光纤连接器，以MPO/MTP为代表的多芯连接器有望成为未来发展趋势。 CPO发展潜力较大，但商业落地仍需产业协同，重点关注各大细分板块 我们认为，CPO目前处于产业化初期，除了技术上的挑战外，更受集成光学器件的市场接受度、标准和制造能力的限制，作为光通信解决方案的一环，其发展仍需整体产业链的协同推进。整体来看，需重点关注以下板块：（1）光引擎板块：包括硅光光器件/光模块厂商和硅光工艺配套厂商。推荐标的：中际旭创、新易盛、天孚通信等；受益标的：罗博特科、杰普特、炬光科技等；（2）光互连板块：包括ELS/CW光源、TEC、光纤、光纤连接器及封装工艺。推荐标的：中天科技、亨通光电；受益标的：源杰科技、长光华芯、仕佳光子、光迅科技、光库科技、富信科技、东方电子、太辰光、博创科技、致尚科技、天孚通信、通富微电、长电科技、华天科技、晶方科技等；（3）交换机板块：主要包括交换机&交换芯片供应商。推荐标的：紫光股份、盛科通信、中兴通讯；受益标的：锐捷网络、菲菱科思、共进股份、烽火通信、光迅科技等。 风险提示：AIGC发展放缓，配套CPO需求不及预期的风险；CPO相关工艺升级不及预期的风险；CPO产业链推动不及预期影响；存在贸易壁垒的风险。 1、CPO是一种新型的光电子集成技术 光电共封装（Co-Packaged Optics，CPO）是一种新型的光电子集成技术。光电共封装基于先进封装技术将光收发模块和控制运算的专用集成电路（ASIC）芯片异构集成在一个封装体内，形成具有一定功能的微系统。光电共封装技术进一步缩短了光信号输入和运算单元之间的电学互连长度，在提高光模块和ASIC芯片之间的互连密度的同时实现了更低的功耗，是解决未来大数据运算处理中海量数据高速传输问题的重要技术途径。 图1：CPO有望成为未来数据中心互连的重要解决方案 单比特成本和功耗的降低需求持续催化CPO技术发展。根据Cisco数据，2010—2022年全球数据中心的网络交换带宽提升了80倍，背后的代价是交换芯片功耗增加约8倍，光模块功耗增加26倍，交换芯片串行器/解串器（SerDes）功耗增加25倍。由于光接口依赖于数模混合的SerDes技术，其能效演进低于ASIC部分，光接口的单比特成本和功耗下降的速率远落后于交换机ASIC部分，为了进一步降低功耗，需要通过缩短SerDes的距离或者减少SerDes的数量来降低功耗，因此在光互联的系统结构上出现了很多新型技术如OBO、NPO、CPO等。 图2：光接口能效演进低于ASIC部分 1995年以来，可插拔光模块已被行业广泛使用，这些可插拔光模块安装在PCB边缘，ASIC在封装基底上，PIC/EIC与ASIC芯片之间的距离是最远的，走线较长，寄生效应明显，存在信号完整性问题，且模块的体积较大、互连密度低、多通道功耗较大。 2018年以来，板载光学（OBO）将光模块的关键组件，如光引擎/电引擎安装在与封装ASIC相同的PCB上，并围绕封装ASIC的四周排列，该方案使用PCB来连接封装ASIC和光引擎/电引擎。较可插拔光模块方案，PIC/EIC与ASIC之间的距离缩短，功率和电气性能方面有所改进。目前OBO已被部署于在特定需要比可插拔光学更高带宽密度的场景中，如IBM Power775互连和Atos/Bull BXI互连等，且多基于多模光学。COBO联盟完成了一个针对板载光学的MSA，包括关于八通道和十六通道（电气）板载光模块的规格，每通道最高可达56 Gb/s。 2020年以来，业界提出近封装光学（NPO），将光引擎放置在与封装ASIC相邻的可选光学基板旁，集成在同一高性能基板上，使用高性能基板来连接封装ASIC和光引擎。根据OIF定义，NPO中ASIC和光学之间的长度可以达到150mm，同时将信道损耗限制在13dB以内。 2023年以来，自Intel和,Broadcom推出CPO产品后，CPO得到进一步重视，其中光引擎（不包括光学基板）被放置在ASIC芯片的同一共封装基板的四周。此前业界已开始围绕CPO标准的建立共识，其中美国、中国和欧洲在标准化倡议方面走在了前列，包括光互联论坛（OIF）、机载光学联盟（COBO）、国际光子学与电子委员会（IPEC）和中国计算机互联技术联盟（CCITA）在内的组织在实施CPO标准方面取得了实质性进展，根据OIF规定，CPO将光引擎和ASIC的距离限制在50mm以内，信道损耗限制在10dB以内。由于跨度更短和损耗降低，CPO具有更低的功耗。根据Broadcom的数据，可插拔光模块的功耗从15pJ/bit到20pJ/bit不等，而CPO系统的功耗可以降低50%以上，达到5pJ/bit到10pJ/bit的范围。仿真结果表明，使用全对全通信模式时，时间缩短了40%。通过在交换机和服务器中实施CPO技术，可以将网络容量增加2倍，同时将交换机数量减少64%。 图3：CPO有望替代传统可插拔光模块 2、CPO的深度拆解：或带动硅光光引擎、CW光源、光纤、 FAU、MPO/MTP等需求增长 CPO方案通过将光引擎与交换芯片近距离互连，相较于传统可插拔方案具有高带宽、低延时、低功耗、小尺寸等优点，同时利用基于硅光的光引擎，CPO使用经过验证的半导体制造技术和设计工艺实现了高水平的光学和电气设备集成，有望实现规模化生产、可靠性提高和成本的降低。 从器件构成上来看，相较于采用分立式器件的传统可插拔光模块，主流CPO方案中由于硅光光引擎的引入，除激光器外，大部分已实现了多种光电器件的硅基集成： 有源器件方面，激光器部分，传统光模块发射部分中的EML光芯片功能被解耦成光源和调制器，目前CPO多采用基于CW激光器的外置激光光源（ELS），一方面较EML激光器芯片可获得成本上的优势，且减少散热影响，另一方面外置激光器方案与硅光芯片的耦合带了新的挑战；调制器部分，CPO中采用集成与硅光芯片上的硅光调制器，包括马赫-曾德尔调制器（MZM）、微环调制器（MRM）等方案；探测器部分，传统光模块接收部分中采用分立的PIN/APD光电探测器，在CPO中同样集成于硅光芯片上的Ge-Si光探测器成主流方案； 无源器件方面，除隔离器和FAU连接器外，硅光芯片替代了大部分传统光模块中的无源器件，传统器件中的透镜和大型组件都被取代，陶瓷、铜等材料用量大幅降低，晶圆、硅光芯片等电子材料占比提升，价值向硅光芯片、硅光引擎转移，整体有望进一步实现工艺简化和成本控制，同时硅光器件更高的集成密度带来了芯片尺寸的大幅缩减，相较于传统光模块具备小型化优势； 电芯片方面，传统可插拔光模块方案中的DSP、TIA、Driver等电芯片或被进一步集成，CPO中单片CMOS EIC有望成为重要发展方向。 图4：CPO较传统光模块集成大量光电器件 从互连架构来看，在电气连接上，通过引入更适合短距离场景XSR SerDes，实现对电气接口的优化；在连接零部件上，CPO相较于传统可插拔方案光互连取代铜互连，因此在交换机内部引入额外的光纤及光纤连接器，主要包括ELS-光引擎段、光引擎-前面板段，同时前面板原光模块的电气接口转为光互连的光纤连接器。 图5：CPO利用光互连替代传统光模块至交换芯片的铜互连 2.1、硅光光引擎是CPO技术核心之一 CPO作为一种光电器件的先进封装技术，涉及系统架构、芯片制造和封装的升级，从运行原理上看，无论与ASIC的接近程度如何，实现光电转换的高性能光引擎（PE/OE）都是CPO技术的核心。光子IC(PIC)和电子IC（EIC）组成光引擎，PIC和EIC通过光引擎的电气接口连接。光引擎还通过其光接口光纤耦合器接收和传输光。来自激光二极管的未调制光首先通过源光引擎中的光纤耦合器耦合到PIC。 在通过驱动器控制调制器（MOD）后，携带信息的调制光信号通过光纤传输到目标光引擎。光信号由PIC中的光电探测器（PD）检测并转换为电流。在EIC中，电流信号通过跨阻放大器器（TIA）被放大并转化为电压信号。最后，电压信号通过电气通道从EIC传递到目标ASIC。 图6：光引擎是CPO技术核心之一 2.1.1、光引擎平台：硅光技术是目前CPO光引擎的主要解决方案 目前CPO光引擎主要的技术路径分别是基于硅光的技术路线和基于VCSEL的技术路线。硅光子集成技术因其集成度高、CMOS工艺兼容已成为CPO光引擎的主要解决方案。 VCSEL方案在成本和功耗方面为超短距离传输提供了明显的优势，但整体目前仍处于研发阶段。功耗方面，VCSEL具有优异的功耗特性（＜5Pj/bit），基本可满足100m 以内的互联需求，后续通过器件进一步升级为少模或单模的VCSEL，也有望能够实现km级互联长度。速率方面，当前，VCSEL较为成熟的器件为25GBaud量级，同时随着VCSEL调制速率的增加，芯片的可靠性降低。在56GBd的情况下，暂无稳定可靠的大规模集成VCSEL阵列，后续50GBd有望在近几年成熟商用，虽然带宽发展趋势上略慢于硅光技术，但VCSEL技术可以通过外置合分波器实现波分复用以提高单纤容量，也可以通过阵列化的VCSEL器件/PD器件配合多芯光纤（~40um芯间距）实现大容量传输。工艺方面，其主要挑战在于封装，不同公司的封装解决方案通常涉及使用焊盘栅格阵列（LGA）封装将光学引擎连接到印刷电路板（PCB）。将驱动器和TIA放置在尽可能靠近VCSEL和PD的位置至关重要。此外，通过集成多通道VCSEL和PD，对系统的可靠性和维护性进行了测试。 当前参与VCSELCPO研究和开发的主要组织是IBM、惠普、富士通和古河。 IBM研究院和Coherent于2022年联合开展MOTION项目，项目专注于创建紧凌的光学模块，将多个波长集成在单个芯片，该模块采用了尺寸为1.64mmx4.64mm的芯片，没有在电子芯片内合并重新定时功能，有效地服务于低延迟应用场景。电子芯片、VCSEL和电源传输（PD）芯片使用flip-mounting安装技术贴在玻璃基板上，在最大速度下，考虑到两端的电连接器，MOTION收发器的功耗为4pJ/b，约为800gOSFP（FR4）模块的1/5；惠普的4通道CPO系统于2020年开发，包括990/1015/1040/1065/1090nm 的5种波长的VCSEL激光器；富士通于2022年宣布的VCSEL CPO系统采用16通道VCSEL和PD阵列。