共封装光学器件（CPO）手册：以光为介质实现下一代互连技术扩展

横向扩展与纵向扩展的CPO技术、CPO总拥有成本与功耗预算、DSP收发器与LPO/NPO/CPO对比、台积电COUPE工艺、MZM/MRM/EAM调制器深度解析、CPO核心企业与供应链布局 DYLAN PATEL、DANIEL NISHBALL、MYRON XIE及另外3位作者2026年1月2日∙付 费内容 共封装光器件（CPO）技术长期以来被寄予厚望，有望彻底改变数据中心互联格局，但该技术历经漫长周期才得以面世，真正具备部署条件的成熟产品直至2025年才问世。在此期间，可插拔收发器凭借其相对成本效益、部署便捷性以及基于标准的互操作性，始终满足网络需求并保持着主流地位。 然而，人工智能工作负载带来的高网络需求意味着此次情况不同。人工智能网络带宽的发展路线图表明，互连速度、覆盖范围、密度和可靠性要求很快将超越收发器所能提供的水平。固态光子学（CPO）将带来一定效益，为横向扩展网络提供更多选择，但它将成为纵向扩展网络的核心技术。在本十年后期及之后，CPO将成为纵向扩展网络带宽增长的主要驱动力。 当前基于铜缆的扩展解决方案（如NVLink）可提供高达7.2Tbit/s的单GPU带宽——鲁宾架构时代将提升至14.4Tbit/s。然而铜缆链路的传输距离上限仅为两米，这意味着扩展域的规模最多只能覆盖一两个机架。此外，通过铜缆提升带宽的难度正日益增加。在Rubin架构中，NVIDIA将通过双向SerDes技术使每铜缆通道带宽再翻倍。但依靠开发更高速SerDes来提升铜缆带宽的扩容路径充满挑战，进展缓慢。而CPO技术不仅能实现同等甚至更优的带宽密度，更能提供多元化的带宽扩容路径，同时支持更大规模的扩展域。 要理解CPO技术诞生的动因，首先需审视光通信中使用收发器时存在的诸多低效与权衡。收发器虽能延长链路距离，但网络交换机或计算托盘前面板上用于插拔收发器的插槽，通常距离XPU或交换机ASIC有15-30厘米之遥。这意味着信号必须先通过LR串解码器在15-30厘米距离内进行电传输，再由收发器内的数字信号处理器（DSP）恢复并调理电信号，最后转换为光信号。采用CPO方案时，光引擎直接部署于XPU或交换机ASIC旁，从而省去DSP环节，并可使用低功耗SerDes将数据从XPU传输至光引擎。相较于DSP收发器，该方案可降低50%以上的数据传输能耗——许多方案甚至致力于将每比特能耗降低80%。 尽管像英伟达和博通这样的横向扩展型CPO解决方案正获得更多关注，并受到终端客户的密切关注，但主要超大规模企业已开始规划其纵向扩展型CPO战略，并向供应商作出承诺。例如CelestialAI预计到2028年底可实现10亿美元营收规模——我们认为这主要得益于其与亚马逊Trainium4协同推出的纵向扩展CPO解决方案。 专注于CPO的企业现已超越论文、试点项目和演示阶段，正就光端口架构等关键产品决策展开布局，以解决大规模量产难题。对于扩展型CPO而言，问题已不再是"是否采用"和"为何采用"，而是"何时实现"和"如何推进"——如何推动这些系统进入量产阶段，以及何时能确保激光器等关键组件的供应链稳定。 本文将深入探讨CPO的优势与挑战、CPO架构的工作原理、当前及未来的CPO产品、专注于CPO的企业、CPO相关组件及其各自的供应链。本文旨在为从业者、行业分析师、投资者以及所有对互连技术感兴趣的人士提供指南。 目录与阅读指南 本文分为五个部分——读者可根据自身兴趣或关联度选择重点阅读章节。 在第一部分：CPO总拥有成本（TCO）分析中，我们将首先探讨采用CPO如何改变横向扩展与纵向扩展网络的总拥有成本。我们认为，在横向扩展网络中采用CPO时，总拥有成本、可靠性及设备供应商议价能力将是主要考量因素。我们将探讨CPO技术是否已具备在横向扩展场景中的成熟应用条件，并结合现有解决方案可靠性数据进行论证，例如Meta公司在ECOC2025大会上发布的CPO横向扩展交换机研究成果。 在第二部分：CPO介绍与实施中，我们将深入探讨CPO的工作原理。本节将探讨市场从铜缆到共封装铜缆的演进历程，从数字信号处理器（DSP）光模块到线性可插拔光模块（LPO）再到CPO的发展轨迹，并剖析推动CPO应用的驱动力与核心论据。同时将深入分析串行器/解串器（SerDes）的扩展极限，以及宽带I/O作为SerDes替代方案的潜力——尤其当其与CPO协同应用时所展现的优势。 在第三部分：推动CPO进入市场中，我们将阐述助力CPO获得市场认可并实现商业化的关键技术。首先探讨主机与光引擎封装技术，详细解析台积电COUPE工艺及其成为首选集成方案的原因。光纤连接单元（FAU）、光纤耦合技术以及边缘耦合器与光栅耦合器的对比将得到全面阐述。我们将涵盖调制器类型，包括马赫-曾德尔调制器（MZM）、微环调制器（MRM）和电吸收调制器（EAM）。本节将以阐释光纤光子学被广泛采用的核心原因收尾——即通过光纤光子学实现带宽扩展的多重路径：增加光纤连接数量、采用波分复用技术 在第四部分：当前与未来的CPO产品中，我们将分析现今市场上可用的CPO产品及其相关供应链。我们将从英伟达和博通的解决方案开始，随后探讨主要CPO企业。我们将深入剖析Ayar Labs、Nubis、Celestial AI、Lightmatter、Xscape Photonics、Ranovus及Scintil等企业的解决方案，详细阐述各供应商的技术方案，并针对每家公司的技术路线进行利弊权衡。 最后，在第五部分：英伟达CPO供应链中，我们将详细描述英伟达CPO生态系统的供应链，列出激光光源、ELS模块、光纤接头（FAU）、FAU点灯工具、FAU组装、切换盒、MPO连接器、MT插芯、光纤以及电光测试等关键供应商，以此为本报告作结。 第一部分：CPO总拥有成本（TCO）分析 今年早些时候NVIDIAGTC2025大会上最受瞩目的议题之一，是詹森宣布推出公司首款支持CPO技术的横向扩展网络交换机。 值得注意的是，在纵向扩展领域，英伟达仍坚持推进铜缆技术，并竭力避免转向光纤方案——这一策略将持续至2027年乃至2028年。 让我们从探讨这些新型CPO交换机的总体拥有成本入手，分析横向扩展型CPO技术能带来的成本与能耗节约效益。 英伟达在GTC2025主题演讲中发布了三款采用不同CPO交换机ASIC的横向扩展交换机。尽管其具备TCO、功耗和部署速度优势，但这些优势尚不足以促使客户立即转向全新的部署模式，因此我们预计首批CPO横向扩展交换机的采用率将较为有限。具体原因如下： 典型AI集群网络架构与TCO对比 典型的AI集群包含三种主要网络架构：后端架构、前端架构和带外管理架构。其中使用最频繁且技术要求最高的当属后端架构。该架构用于GPU之间的横向扩展通信，支持GPU在集体操作中相互通信并交换数据，从而实现训练与推理的并行化处理。后端网络通常采用InfiniBand或以太网协议。 由于其高要求特性，后端网络在总网络成本和功耗中占据主导地位：在采用英伟达X800-Q3400后端交换机部署于InfiniBand的3层GB300NVL72集群中，其网络成本占比达85%，网络功耗占比达86%。基于CPO的交换机和网络解决方案可同时应用于后端与前端网络，但我们认为当前阶段的部署重点仍应放在后端网络。读者可查阅更多关于后端网络拓扑结构、端口配置、交换机及收发器等详细信息。 模型。若需了解网络总拥有成本，可参阅我们的《AINeocloud解剖与实践指南》文章。 英伟达的光学噩梦——NVL72、InfiniBand横向扩展、800G与1.6T加速DYLAN PATEL与DANIEL NISHBALL·2024年3月25日 阅读全文 AINeocloud操作指南与架构解析 迪伦·帕特尔与丹尼尔·尼什鲍尔·2024年10月3日 阅读全文 缩小范围来看——网络成本是AI集群总成本中仅次于AI服务器本身的第二大组成部分。在采用GB300NVL72集群搭配三层InfiniBand网络的配置中，网络成本占集群总成本的15%；若升级为四层网络，该比例将升至18%。光收发器是该成本的重要组成部分，在采用相对昂贵的NvidiaLinkX收发器的三层网络中，其成本占比高达网络总成本的60%。同时，三层网络中光收发器消耗的功耗占网络总功耗的45%。 人工智能集群中的GPU数量越多，就越可能需要增加网络层数。从两层网络扩展到三层及以上网络，意味着更高的成本和更大的功耗预算。CPO技术既能在保持层数不变的情况下降低功耗和成本，又能通过在固定层数的网络中扩展可连接的GPU数量，从而减少总功耗和成本需求。 CPO横向扩展功耗预算 今年早些时候，在GTC2025大会上，英伟达首席执行官黄仁勋强调，仅收发器本身就消耗了巨大功耗，这是推动CPO技术发展的关键驱动力。根据上表中的机架功耗预算数据，在三层网络架构下，一个由20万个GB300NVL72（每机架含72个GPU封装和144个计算芯片）组成的GPU集群将消耗435兆瓦关键IT功耗，其中光收发器单项功耗就高达17兆瓦。显然，通过大幅减少收发器数量可节省海量能耗。 通过对比单个800GDSP收发器的功耗与CPO系统中光引擎及激光源（按800G带宽计算）的功耗即可轻松验证：800GDR4光收发器功耗约为16-17瓦，而我们估算NvidiaQ3450CPO交换机中光引擎与外部激光源的功耗仅为每800G带宽4-5瓦，实现73%的能耗降低。 这些数据与Meta在ECOC2025会议上发表的论文中所呈现的数据非常接近。在本报告中，Meta展示了800G2xFR4可插拔收发器功耗约为15W，而博通Bailly51.2TCPO交换机内部的光引擎和激光源在传输每800G带宽时功耗仅约5.4W，实现了65%的节能效果。 让我们将分析扩展到集群层面。以基于三层网络构建的GB300NVL72集群为例，可见将后端网络中的DSP收发器替换为LPO收发器后，可降低36%的总收发器功耗和16%的总网络功耗。若全面过渡至CPO技术，相较于DSP光模块可实现更显著的节能效果——收发器功耗降低84%——但部分节能效益会被新增的光学引擎（OEs）和外部光源（ELSs）所抵消。 交换机，其总功耗现已增加23%。在下例中，CPO场景下的光收发器功耗仍维持在每台服务器1000W的基准值，因为我们假设前端网络仍将采用DSP收发器。 采用英伟达的CPO横向扩展交换机意味着默认使用高基数网络，尽管这种机制对终端用户而言是"抽象化"的——因为在CPO交换机内部即可完成端口切换，而使用高基数非CPO交换机时则需通过配线架或八爪鱼线缆在交换机外部进行切换。相反，这些NVIDIACPO交换机呈现出极高的端口数量——例如Quantum3450提供144个800G端口，Spectrum6800则提供512个800G端口。我们使用"默认"一词是因为英伟达的非CPOInfiniBandQuantumQ3400交换机同样提供144个800G端口，但其其他InfiniBand交换机（如QM9700）仅提供32个800G端口——唯有前者具备这种"高基数集成"特性，能提供大量有效端口。如此高的端口密度有望帮助客户将三层网络扁平化为两层网络，同时省去部署交换盒、配线架或笨重八爪鱼线缆的麻烦，这将成为关键卖点。在两层网络架构下，相较传统DSP收发器，收发器功耗降低84%，交换机功耗下降21%，整体网络功耗可减少48%。 Spectrum6800交换机凭借其在两种可用逻辑配置下均具备的大量端口——512个800G端口——相较于Spectrum6810（提供128个800G端口、256个400G端口或512个200G端口）实现了这一特性。采用Spectrum6810的128个800G端口方案时，两层网络最多可连接8,192个GPU；而Spectrum6800在512个800G端口配置下，可连接131,072个GPU。 其魔力在于端口数量k会随层数呈指数级增长