摘要：光电共封装（CPO）是一种在数据中心光互连领域应用的光电共封装方案。其核心是将光模块不断向交换芯片靠近，缩短芯片和模块之间的走线距离，并逐步替代可插拔光模块，最终把交换芯片（或XPU）ASIC和光/电引擎（光收发器）共同封装在同一基板上，光引擎尽量靠近ASIC

光电共封装（CPO）是一种新光电互联集成技术

光电共封装（CPO）是一种在数据中心光互连领域应用的光电共封装方案。其核心是将光模块不断向交换芯片靠近，缩短芯片和模块之间的走线距离，并逐步替代可插拔光模块，最终把交换芯片（或XPU）ASIC和光/电引擎（光收发器）共同封装在同一基板上，光引擎尽量靠近ASIC，以最大程度地减少高速电通道损耗和阻抗不连续性，从而可以使用速度更快、功耗更低的片外I/O驱动器。CPO技术的核心是光电芯片，它包含了光学器件和电子器件。在光电芯片内部，光学器件将光信号转换成电信号，电子器件将电信号转换成光信号。

CPO技术演进史

资料来源：IET Optoelectronics

CPO技术目前主要用在交换机中

CPO技术目前主要用在交换机接口中，是一种新型的光电集成技术，主要是将网络交换芯片和光模块共同装配在同一个插槽（Socket）上，形成芯片和模组的共封装，从而使得光学信号和电学信号在同一芯片上进行转换和处理；即将电子芯片和光电器件放在一起进行封装，以实现高集成度、高性能的光电器件。

CPO不仅减少了高速电通损耗，其能效优势也非常显著

智算中心驱动的高速率场景下，降本、降低功耗需求显著。SerDes速率不断提升，光模块之间的功耗不断升高，随着40G、100G、400G、800G的迭代，相比2010年的交换机，目前51.2T的交换机中，光器件能耗增加26倍，光模块整体功耗大约可占交换机功耗的40%以上。根据SENKO数据，CPO显著降低光模块功耗，助力系统整体功耗减少25%-30%。

LPO是目前短距离传输过渡方案，CPO正开启商用进程

LPO（linear drive pluggable optics)，线性驱动可插拨光模块，通过线性直驱技术替换传统的DSP，实现系统降功耗、降延迟的优势，但系统误码率和传输距离有所牺牲。LPO摒弃数字信号处理器（DSP），通过使用具有优异线性度和均衡能力的转阻放大器（TIA）和驱动芯片（DRIVER）来替代DSP，消除信号恢复需求，降低处理开销和系统延迟，特别适用于对时序要求极高的高性能计算中心（HPC）中GPU间通信场景。

目前SerDes主流规格112G很快升级到224G，LPO无法跟上224GSerDes的要求。部分DSP领域较弱厂商推进LPO方案。Macom、Semtech、美信等DSP领域较弱的电芯片厂商大力推进LPO，以绕开DSP短板。目前LPO方案标准化尚未成熟，主要集中在电接口和光接口。

相对于LPO，CPO注重光电共封装，适用于高速高密度互联传输场景，能满足高速数据传输需求，且在适配未来高规格 SerDes 方面可能比LPO更具潜力。随着数据量爆发式增长，对高速传输需求日益迫切，CPO 因具备满足高速传输需求的优势以及较大技术潜力，能跟上技术升级步伐，为行业发展提供持续技术支持。

目前CPO技术已经开始小批量商用。在2022年，博通就与腾讯合作，博通将提供25．6Tbps Humboldt CPO交换设备，采用博通Tomahawk®4交换芯片，直接与4个3．2Tbps SCIP光学引擎耦合和共封装

CPO加速落地源于AI催化，推动先进封装、光互联(OIO)等新技术发展

本轮AIGC革命拉动了新一轮数据中心网络发展，CPO技术同样受益，主要发展催化点包括

发展催化一：AIGC技术迅猛发展，算力需求激增，全球互联网云厂持续加大资本开支。四大北美互联网云厂商2025年规划资本开支合计预计超过3100亿美元，中国四大互联网云厂2025年资本开支合计预计超过5000亿人民币。

发展催化二：英伟达、博通、Marvell等头部芯片厂商均在加速落地CPO交换机。博通已经研制了两代商用产品，英伟达已经研制支持IB协议和以太网协议的产品。

发展催化三：国内交换机厂商已陆续发布CPO交换机，国内光模块龙头企业也在布局CPO技术。

本轮AIGC革命也推动了CPO技术加速迭代更新，未来CPO技术主要演进路径包括：

技术趋势一： 电信号SerDes传输速率不断迭代，2024年224G速率成熟，推动光电信号单通道传输速率再提升一倍，CPO集成度持续提升。未来随着SerDes传输速率的提升，CPO技术能力将继续增强。

技术趋势二：通过硅光材料实现降本降功耗。

技术趋势三：采用3D先进封装，将光电芯片进行垂直互连，可以不仅能实现更短的互连距离、更高的互连密度和更好的高频性能，还能实现更低的功耗、更高的集成度和更紧凑的封装。

技术趋势四：Ayarlabs、博通、intel等头部厂商均在积极研发Optical IO技术，实现算力芯片间的光互联。

发展催化一：AIGC推动数据中心及交换机放量，CPO持续受益

AIGC技术迅猛发展，算力需求激增，全球互联网云厂持续加大资本开支。据IDC数据，2025年全球人工智能服务器市场规模将增至1587亿美元，2028年有望达到2227亿美元，生成式人工智能服务器占比将由2025年的29.6%提升至2028年的37.7%。四大北美互联网云厂商2025年规划资本开支合计预计超过3100亿美元，其中谷歌750亿美元，亚马逊1050亿美元，微软800亿美元，META超过600亿美元。中国四大互联网云厂2025年资本开支合计预计超过5000亿人民币。

数据中心交换机受益人工智能产业发展，根据IDC 2024年Q3数据，数据中心板块以太网交换机市场收入在其Q3同比增长了18%，从Q2到Q3环比增长了6.2%。特别是200/400 GbE交换机市场三季度收入同比增长126.3%，环比增长23.8%，这得益于最高速率以太网交换机强劲的需求推动。生成式AI数据中心以太网交换机市场将以70%的年复合增长率呈指数级增长，将从2023年的6.4亿美元增长到2028年的90.7亿美元。CPO在显著提升能效趋势下，作为交换机的下一代高速互联技术，有望持续受益交换机行业增长。

发展催化二：英伟达在今年加速推动CPO商业化进程

英伟达计划在2024年下半年提出过CPO技术的IB交换机，该交换机前面板有144个MPO光接口，支持36个3.2T CPO， 内部有4个28.8T的交换芯片（总共115.2T的交换能力）。该交换机有望在2025年第三季度实现小批量生产。英伟达也计划于2026年推出CPO版本的Spectrum4 Ultra X800以太网交换机。后续英伟达仍然会发布Spectrum5、 Spectrum6系列交换机。

头部芯片厂商(博通、Marvell等)均加速CPO商业化。博通在上一代Tomahawk4就尝试CPO技术，并率先向小部分客户交付业界首款51.2Tbps CPO以太网交换机Bailly（Tomahawk5）。Bailly产品集成8个6.4-Tbps硅光子光学引擎和Broadcom一流的StrataXGSTomahawk5交换机芯片，相比可插拔收发器解决方案，Bailly使光学互连运行功耗降低70%，硅面积效率提高8倍。

Marvell在2022年展示CPO，在2024年OFC上推出的3DSiPho引擎，是业内首款支持200Gbps电接口和光接口的技术，为CPO集成到其XPU提供基础，客户能将CPO无缝集成到下一代定制XPU中；其6.4T3DSiPho引擎高度集成，相比100Gbps接口的同类设备，带宽和输入/输出带宽密度翻倍，每比特功耗降低30%。

Ranovus在OFC2021发布Odin品牌模拟驱动CPO2.0架构以进一步帮助客户降低产品功耗和成本。该产品是Ranovus和IBM, TE以及Senko合作共同开发的。CPO技术支持nx100Gbps PAM4 光接口和ML/AI电芯片在一个封装内，是一种创新的光器件技术。

发展催化三：国内各大厂亦在跟进CPO技术

国内交换机厂商已陆续发布CPO交换机。锐捷网络已发布25.6Tbps CPO 交换机，并且参与编写了 COBO 的 CPO 交换机设计白皮书，在 CPO 技术应用方面走在国内前列。新华三已推出 800G CPO 硅光数据中心交换机（H3C S9827 系列），单芯片带宽高达 51.2T，支持 64 个 800G 端口，融合了 CPO 硅光技术、液冷散热设计、智能无损等先进技术。中兴通讯在CPO 相关的光引擎和光电封装等技术领域进行研究，申请了涉及 CPO 模 块 的 激 光 光 源 选 择 方 法 的 专 利 ， 其 新 一 代400GE/800GE 数据中心交换机具备高性能，支持单槽14.4T，并采用了智能无损技术。

国内光模块厂商积极布局CPO技术。中际旭创、新易盛、光迅科技、华工科技等均有布局CPO模块，有的厂商CPO模块已经向客户送样测试。天孚通信为CPO提供关键组件，如激光器、透镜阵列等，在800G技术时期成为英伟达的独家供应商，2023年 9 月送出的 1.6T 硅光光引擎被英伟达用于CPO上的封装。

技术趋势一：单通道SerDes速率逐步提升，CPO能力变强

电信号传输能力核心是SerDes技术，是芯片与外界交换数据的基本单元，光端口带宽为Serdes带宽整数倍。SerDes的全称是SERializer(串行器)/DESerializer(解串器)，是一种高速的时分多路复用（TDM）、点对点(P2P)的串行通信技术。交换机以及传统可插拔光模块的输出电口/光口通道数取决于SerDes速率，高速率SerDes提升了CPO及光引擎的集成度，还可以减少传输通道，降低功耗。GPU/ASIC芯片间的互联也推动了SerDes的升级需求。

224G SerDes产品在2024年开始逐步成熟，Marvell在FQ4 2024业绩电话会上表示，其下一代单通道200Gb/s速率的1.6T PAM DSP产品已经在客户侧进行认证。而随着SerDes在未来传输速率向448G升级，未来光引擎处理带宽预计升级到6.4T、12.8T，对应CPO交换机内光纤及光通道数同等受益。

技术趋势二：使用硅光材料提高集成度

集成度是III-V族化合物向硅基材料演进的主要驱动力。硅光芯片将激光器、调制器、探测器、波导等集成在一块芯片上，实现了高度集成化。这种集成化设计大大减小了光模块的尺寸和重量，降低生产成本和功耗，提高芯片的可靠性和稳定性。硅光芯片与CMOS工艺兼容，简化制造工艺流程。硅光芯片的制造兼容成熟的CMOS工艺，通过CMOS工艺集成更多光器件，使得制造过程更加高效可控。

使用硅光材料实现降本降功耗。材料演进将驱动硅光模块具备成本优势。硅元素自然丰度高，相比In等元素成本更低，且晶圆制备工艺成熟，尺寸大。硅光器件可在8-12英寸晶圆上一次加工，集成度高、芯片尺寸小，一次加工可得更多芯片。硅光模块基于硅基材料制备，内部光损耗小，具备低功耗优势。同时，硅光波导折射率差大，弯曲半径小，能实现器件小型化。

此外，高集成度、原材料成本低、兼容CMOS工艺和低功耗共同作用，使规模化生产后的硅光模块成本低于传统光模块，成本优势显著。台积电与日月光和富士康等大厂联合成立了SiPh联盟，以推动硅光技术标准协议，整合上下游资源，共同推动中国台湾加速SiPh产业发展。中国台湾工研院产学研国际战略中心指出，AI与高端数据中心将是硅光子市场爆发的突破点，预期该技术将从光收发器演进至CPO 和Optical I/O。

技术趋势三：3D先进封装逐步成为主流技术

CPO 技术将增加先进封装工艺需求，是能有效提升功能密度的工艺技术。先进封装采用先进的设计思路和先进的集成工艺技术，如硅通孔（TSV）、重布线（RDL）、倒装（Flip Chip）、凸点（Bumping）、 引线键合（Wire bonding）等对芯片进行封装级重构：

2D封装的CPO技术是将光子集成电路PIC和集成电路并排放置在基板或PCB上，通过引线或基板布线实现互连。2D封装的优点是易于封装、灵活性高。

2.5D 封装将EIC和PIC均倒装在中介层（Interposer） 上。通过中介层上的金属互连PIC和EIC，中介层与下方的封装基板或PCB板相连。

3D封装技术将光电芯片进行垂直互连，可以不仅能实现更短的互连距离、更高的互连密度和更好的高频性能，还能实现更低的功耗、更高的集成度和更紧凑的封装。玻璃基板拥有低损耗、高封装密度和光学透明性的优势，玻璃基interposer芯片可提供更宽的带宽和更低的制造成本，或逐步应用在CPO技术中。

技术趋势四：CPO应用在算力芯片，向光OIO（输入输出）发展

Ayarlabs、博通、intel等头部厂商均在积极研发Optical IO技术，实现算力芯片间的光互联。

CPO应用在算力芯片，向光OIO（输入输出）发展，OIO（Optical IO）主要用于芯片互联。为了解决计算芯片CPU, GPU, XPU等之间的互联问题(chip to chip interconnect)，OIO利用光互连低功耗、高带宽、低延迟的优势，取代传统的electrical IO方案，芯片输入输出的IO变为光信号，进而构建分布式计算网络。为了实现计算资源的池化技术，Optical IO对延迟latency的要求比较高。从封装形式上看，Optical IO也是将光芯片与电芯片封装在同一基板上。

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来源：思瀚研究院