发布时间： 2025-07-03 11:34:11来源：智行车家
导读
集群低功耗、高速率的需求下，更高的集成度或为更优解
一方面，根据数据中心TCO 数据，无论上架率和外电负载，电费占比始终维持在成本首位；另一方面，parallel Scaling 在模型部署过程中的渗透亦将推动集群内互联带宽的需求提升。在集群的低功耗、高速率需求下，CPO（共封装光学）技术得以受到重视。功耗方面，CPO架构的功耗降至 5–10 pJ/bit（传统可插拔方案 15–20 pJ/bit），博通 CPO 交换机实现5.5W/800G，英伟达方案降耗达70%。速率方面，信号传输距离缩短至毫米级，带宽密度提升，延迟降低50%以上。根据 LightCounting 预测，由于 CPO 所具有的性能优势，到2027 年800G 和 1.6T 端口总数中，CPO 端口将占近30%。
01
CPO 在带宽、功耗和空间效率上有显著提升
CPO（共封装光学）是一种新型的光电集成技术，通过缩短光信号输入和运算单元之间的电学互连长度，提升光模块和交换 ASIC 芯片之间的互连密度的同时实现了更低时延、损耗和功耗。
CPO 在带宽、功耗和空间效率上有显著提升。传统可插拔光模块通过可插拔接口与交换机 PCB 连接，电信号需经过数厘米的PCB 走线，导致信号衰减问题加剧。CPO技术的核心在于通过硅中介层或微凸块互连技术，将光学组件直接集成至 Switch ASIC 封装内部，解决了超高算力场景下光模块数量过载的问题。这种架构将高速电信号传输距离缩短至毫米级，有效降低了信号衰减与串扰，从而在带宽、功耗和空间效率方面展现出突破性提升。
CPO 在成本上也带来了显著的优化。首先是 CAPEX 的降低，当前阶段，受限于技术的成熟度和运维的难度，CPO 方案下的成本相较传统可插拔方案仍较高。但未来， CPO 有望通过器件的小型化和高度集成，大幅降低大规模量产后的模块边际成本。其次是 OPEX 的优化，主要体现为延迟和功耗的大幅度降低及转换效率的大幅提升。根据 Broadcom 的数据，可插拔光模块的功耗从 15pJ/bit 到 20pJ/bit 不等；然而， CPO 系统的功耗可以降低50%以上，达到5pJ/位至10pJ/位的范围内。一方面，在传统的光通信系统中，电子集成电路（IC）和光学元件之间的电气连接会产生很大的损耗。CPO 通过将光学元件直接集成到与电子IC 相同的封装中，减少了长距离电气连接的必要性。
这种集成显著降低了功耗和延迟，从而实现了更节能的数据传输。另一方面，与传统光通信系统相比，共封装光学器件通过充分集成化，缩短信号传输的距离，可降低传输损耗，提供卓越的信号完整性，从而使得集群计算与传输效率的显著提升。通过减少电气连接和信号转换，CPO 降低了信号劣化和干扰的可能性。这可以提高数据传输质量、降低错误率并提高系统可靠性。此外，将光学元件集成在同一封装中可降低对外部噪声和电磁干扰的敏感性，从而进一步增强整体信号完整性。
1.1CPO 高性能、低功耗优势推渗透提升，上游器件供应商弹性可观
模型性能需求提升和硬件成本压缩下，并行计算需求的强化，推动算力集群向高密度、低时延、低功耗方向升级，倒逼数据中心改善基础硬件结构以提升性能、降低CAPEX与OPEX。传统可插拔光模块受限于分立结构下的传输效率、散热效率及端口密度瓶颈，促使行业探索集成度更高的光电转换技术。
CPO 通过光电共封装缩短信号传输路径，在带宽和空间效率方面展现出性能的突破性提升，同时通过硬件开支和功耗的减少有效降低了成本。此外，CPO 兼容主流交换机 ASIC 芯片设计，无需颠覆性改造基础设施。这种“性能更优、成本更低”的替代范式，使得 CPO 在技术成熟后即可依托传统可插拔技术的既有客户，需求快速导入市场，形成“技术升级-成本下降-渗透加速”的正向循环。
根据 LightCounting 关于 CPO 端口和可插拔以太网光收发器以及 AOC 出货量的预测，可插拔设备将在未来五年及以后继续主导市场，但到 2027 年 800G 和 1.6T 端口总数中，CPO 端口将占近30%。
硅光引擎（OE）是CPO 交换机内部实现光电转换的核心结构。当前OE主要采用3D封装，通过将激光器、光电探测器和调制器等光学元件以 3D堆叠结构直接集成到与电子芯片相同的封装中，相较之前 2D 和 2.5D 封装尺寸更为紧凑，并最大限度地降低信号损耗和功耗。台积电的硅光平台 COUPE（Compact Universal Photonic Engine）已将 EIC 与 PIC 已通过其独有的 Hybrid bonding 技术（亦称 DBI 技术，direct bonding interconnect）键合在一起，即两片 wafer 在室温下通过氧化物的分子间作用力附着在一起，再通过升温退火，铜发生膨胀并牢固地键合在一起，从而形成电连接。
以英伟达 Quantum-X Photonics InfiniBand 为例，switch 芯片发出的电信号经调制器转换为光信号后，输入OE，通过FAU（Fiber Array unit）对齐输入 MPO（Multi-fiber Push On）接口，后由普通光纤传输至交换机面板端的 MPO 端口，保偏光纤传输至交换机面板端的 ELS 外置激光光源的接口。当前激光光源的外置仍是 CPO 的主流解决方案，主要因为 CPO 光引擎的性能对入射 ELS 光的偏振状态非常敏感，需要外部光源发射信号时保持激光偏振状态，因此需要保偏光纤连接光源和交换芯片。在光信号传输过程中，Shuffle Box 被用于保持信号传输的独立性和最大限度减少光纤交叉的应力。
CPO 是光电转换的核心器件，而CPO 中起到光电转换作用的即为调制器件。当前，英伟达采用了更新的 MRM 方案（微环调制器，micro ring modulator），因为其在信号传输距离更短（微环的直径一般仅为 100 微米，而传统的 MZM 调制方案（马赫-曾德尔调制器，Mach-Zehnder Modulator）中传输长度通常在 1-5 毫米），因而带动更好的能源效率、更小的驱动电压需求、更好的信号完整性、更高的带宽密度。但相应的，MRM 调制器中 EO 的非线性和共振波长对工艺和温度敏感，工艺难度大，并未进入大规模商用阶段。
PIC 和 FAU 之间的精准光学对准。FA（Fiber Array）即光纤阵列，是利用 V 型槽（V-Groove）基片，把一束或一条光纤带按照规定间隔安装在基片上所构成的阵列。通过将多根光纤紧密排列，并与光引擎进行高效耦合，解决了这一挑战。
此外，FAU 的设计还需考虑偏振保持光纤（PMF，Polarization Maintaining Fiber）的使用。CPO 的激光光源有两种，集成激光源（ILS, Integrated Laser Source）和外部激光源（ELS，External Laser Source）。由于易于维护和广泛的可及性，外部激光源（ELS）是CPO 光源目前主流的解决方案。
CPO 光引擎的性能对于入射 ELS光的偏振状态非常敏感，需要外部光源发射信号时保持激光偏振态，因此需要保偏光纤（PMF）连接光源和交换芯片。保偏光纤的使用使得光在光纤中仅沿着一个偏振方向传播，保证了光信号传输的稳定性。由于保偏光纤成本较高，通常用于光信号的引入，而从光芯片到外部端面的光信号导出还是采用普通光纤。
CPO 交换机中，MPO 连接器的使用可实现大规模数据中心对网络设备集成度的要求，Shuffle Box 的应用则可进一步对信号进行分配和处理。在光纤传输的过程中，利用光纤柔性板技术，结合高密度 MT 接头，光纤的配置容量可为常规方案的数倍。
1.2 规模定律下参数量高增，计算并行流增长推集群互联带宽提升
随着模型规模的不断扩展，算力需求持续增加。在预训练阶段，Scaling Law（规模定律）表明，模型性能与参数量、算力供给成正比。尽管在预训练的后期，模型规模的边际效应开始放缓，但通过架构优化，模型能力提升强化杰文斯悖论，推理阶段的算力需求指数型增长，并推动算力集群规模高速扩张。SemiAnalysis 跟踪所有主要超大规模和商用硅公司的CoWoS、HBM 和服务器供应链，发现自 2023 年第一季度以来，以峰值理论 FP8 FLOPS 衡量的智算算力规模一直以50-60%的季度环比速度快速增长。
并行计算作为平衡计算成本和模型性能的重要路径，将直接推动集群内互联带宽、通信器件的需求提升。根据 Qwen 团队发布的论文《Parallel Scaling Law for Language Models》，模型能力提升路径从参数规模化、推理时间规模化进一步扩张至并行规模化。根据实验结果，并行计算的效果可直接对应参数量的对数级增长，量化后 8 个并行流可直接对应模型参数翻 3 倍的效果，但实际增加的硬件成本微乎其微，或将直接推动边缘测硬件的模型部署能力。映射至硬件层面，集群内部的通信链路必须具备更高的带宽，光模块作为光电信号转换的核心器件，以支持计算过程中更高的互联要求。
1.3 集群大规模、高速率、低功耗需求下，集成式模块或为更优选择
集群基础硬件成本（CAPEX）和运营过程中的电费（OPEX）是集群总拥有成本（TCO）的重要组成部分。
基于 OPEX 成本优化视角，数据中心的月度 TCO 构成中，无论上架率和外电负载率如何，电费始终位成本首位，且随着上架率及 IT 负载率的提升，电费的占比亦会提升，因而对于数据中心运营方来说，功耗是决定电费的直接因素，功耗的降低亦是优化 OPEX 的重要路径之一。
基于CAPEX 成本优化视角，根据公开数据和广达电脑等服务器 ODM 毛利率，我们估算了 Meta 24976 H100 的资本支出，其中 H100 占据了 BOM 成本的大部分，但通信设备的价值链占比亦可观。未来，在交换机端口数、端口速率相近的情况下，集群规模的扩张将直接推动网络层数升级，通信设备的数量及价值量的占比亦将同步上行。
1.4 行业头部通信设备厂已有成熟方案，CPO 交换机产业化或在即
1.4.1 博通的CPO 方案
在 2022 年 OFC 会议上，博通推出了其首款 CPO 交换机，该设备将 25.6T 的Tomahawk 4 交换芯片与光模块集成，功耗约为6.4W/800G。该款CPO 交换机集成了 3D 封装的光引擎。这一创新包括将 PIC 翻转到 EIC 的上方，并通过基板将 EIC和 ASIC 芯片互连，从而将25.6Tbps 的 Tomahawk 4 交换芯片和 4 个CPO 结构光引擎封装在一起，形成一个交换机。每个CPO 模块支持3.2Tbps，整个系统由4 个CPO 模块组成，总带宽为12.8Tbps。
2024 年，博通发布了其最新交换机产品 Bailly，搭载 Tomahawk 5 交换芯片，交换容量达 51.2 T，并进一步降低30%功耗至5.5 W/800G。Tomahawk 5 Bailly 支持多种配置的交换机，包括64 端口800Gbps、128 端口400Gbps 和256 端口200Gbps，充分满足数据中心不断增长的网络需求。内部结构方面，Bailly 的硅光芯片采用相对传统的 TWMZM（行波马赫-曾德尔调制器）方案。
交换机内部集成 8 个 6.4T FR4 光引擎，每个光引擎内包含 64 路Tx/Rx，采用扇出型晶圆级封装（FOWLP）技术，由单颗含 64 通道光子集成芯片（PIC）和电子集成芯片（EIC）组成，单通道 100G。驱动器和跨阻放大器（TIA）芯片采用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺制造。
2025 年6 月，博通宣布正式交付Tomahawk 6 交换机芯片系列。该系列芯片率先实现单芯片 102.4Tbps 交换容量，达到当前市场以太网交换机带宽的两倍。Tomahawk 6 可满足新一代十万到百万卡集群的 Scale-up/Scale-out 的 AI 网络部署，支持100G/200G SerDes 和CPO。一方面，凭借博通顶尖的 SerDes 及光学技术生态，该方案实现了系统级的全面能效优化与成本节约。其行业领先的 200G SerDes 技术支持无源铜缆的最长传输距离，助力构建具备最高可靠性、最低TCO 的高效低延时系统设计。
该系列开创性地提供单芯片集成 1024 个100G SerDes 的选项，使客户能够部署铜缆延伸距离更远的 AI 集群，并高效利用配备原生 100G 接口的 XPU 与光学元件。另一方面，对于需要光连接的场景，Tomahawk 6 同样提供 CPO 版本，在显著降低功耗与延时的同时，有效减少链路震荡并提升长期可靠性——这对超大规模AI 网络运营商具有关键价值。
1.4.2 英伟达的CPO 方案
2025 年 3 月，英伟达在 GTC 大会上正式发布了 Quantum-x Photonics InfiniBand 和Spectrum-x Photonics Ethernet 两款CPO 交换机，前者预计将在2025 年时候上市，后者则将在 2026 年推出。
以 Quantum-X Photonics InfiniBand 交换机为例，搭载4 颗最大吞吐量为 28.8T 的Quantum-X800 ASIC，交换容量达 115.2T。黄仁勋在 2025 年 GTC 中明确表示， CPO 可将每 1.6T 端口的功耗从30W（可插拔光模块）降至9W，降幅达70%。
内部结构方面，英伟达的硅光芯片采用了单波长的 MRM（微环调制器，micro ring modulator），信号速率为200Gbps，对应此前TSMC 发布的63GHz MRM。
单个 ASIC 交换容量为 28.8T，使用 3.2T 光引擎 9 组，每个硅光引擎皆采用 PAM4 200Gb/s 微环调制器，可节省 3.5 倍功耗。外部连接方面，Quantum-X 交换机端口采用1152 单模光纤MPO 连接器、18 个外置光源（ELS）、144 根MPO 连接器。
02
行业内重点公司分析
2.1 太辰光：产品成功导入康宁，MPO 及光纤柔性板的领先供应商
深圳太辰光通信股份有限公司（简称太辰光）是全球最大的光密集连接产品制造商之一，主要产品包括 MT 插芯、光纤柔性板、PLC 芯片、AWG 芯片、常规及高密度光纤连接器、波分复用器、光纤配线机箱、光缆熔接箱、光模块、有源光缆（AOC），应用覆盖全球范围的电信网络、数据中心、政企专网等建设，客户包括康宁等光通信设备头部公司。
太辰光产品矩阵中包括了MPO 和Shuffle 器件，同时具备MT 插芯的生产能力，在MT 插芯紧缺的背景下对MPO 的核心器件供应形成保障。MPO 产品方面，2024 年初以来，旺盛的高速率、高密度传输需求致使 MT 插芯供给紧缺，太辰光配套自产MT 插芯的 MPO 产品已通过国外重大客户的质量认证，并实现批量供应，进一步维持了公司在 MPO 市场地位的领先性。
其中，公司保偏MPO 产品亦应客户需求进行了工艺技术开发，截至 2024 年11 月公司保偏MPO 产品已实现小批量出货。在CPO产品的结构中，除了 MPO 产品，公司 shuffle 产品在光柔性板技术方面具有完全自主知识产权，包括布纤路径自动设计软件，自动布纤设备，柔性板涂覆工艺等。公司光柔性板产品已经批量出货，并为多家客户开发了定制化产品。此外，公司FAU 产品亦在配合客户需求开展技术开发和样品试制的工作。
2.2 光库科技：子公司加华微捷业绩高增，前瞻布局薄膜铌酸锂
珠海光库科技股份有限公司（简称光库科技）是专业从事光纤器件和芯片集成的高新技术企业，产品应用于光纤激光、光纤通讯、数据中心、无人驾驶、光纤传感、医疗设备、科研等领域，广泛销往欧、美、日等 40 多个国家和地区。光库科技总部设在珠海，目前拥有 5 家全资子公司：米兰光库、泰国光库、香港光库、加华微捷、光辰科技，1 家控股子公司：拜安实业。
光库科技产品应用领域广泛，除了CPO 结构中FAU、微环形光调节器的布局，其薄膜铌酸锂调制器的材料性能优势亦会随着带宽提升凸显。全资子公司加华微捷 FAU产品布局全面，下游应用包括CPO/OXC 光纤阵列、PIC 光接口光纤阵列等，产品主要应用于 400G/800G/1.6T 等高速、超高速光模块、CPO 交换、以及相干或非相干PIC。根据 2024 年9 月光博会释出消息，加华微捷当时已在配合一些海外客户做前期研发。
此外，2024 年10 月，根据国家知识产权局信息，珠海光库科技股份有限公司申请一项名为“一种集成光学环形器”的专利，该器件无需异质集成磁光材料，与异质集成磁光材料方案相比，该器件的总插损更小。除了 CPO 结构中器件的布局，光库科技在薄膜铌酸锂材料上亦有积累。其新一代薄膜铌酸锂调制器产品解决了传统体材料铌酸锂调制器在性能、体积上的劣势，通过最新的微纳工艺，制备出的薄膜铌酸锂调制器具有高性能、低成本、小尺寸、可批量化生产且与CMOS 工艺兼容等优点，是未来高速光互连极具竞争力的解决方案。
2.3 天孚通信：英伟达CPO 交换机技术合作伙伴，CPO 板块多产品布局
苏州天孚光通信股份有限公司（简称天孚通信），是业界领先的光器件整体解决方案提供商和光电先进封装制造服务商，成立于 2005 年，2015 年在中国创业板上市。产品广泛应用于人工智能、数据中心、光纤通信、光学传感等领域。
公司当前有两大核心业务板块，包括无源光器件整体解决方案业务和光电先进封装业务，通过积极推进国际化战略，形成双总部、双生产基地、多地研发中心的产业布局：在苏州和新加坡分别设立海内外总部；在日本、深圳、苏州设立研发中心；在江西和泰国建立生产基地，为客户提供多元化选择和本地化技术支持与服务。客户覆盖 Fabrinet 等全球领先的光器件供应商。
天孚通信是英伟达CPO 交换机的官方技术合作对象，且其部分CPO 产品已进入小批量阶段。天孚通信是英伟达CPO 交换机的官方技术合作伙伴，当前其多通道光纤耦合阵列、ELS 外置光源模块等无源及有源产品已进入小批量阶段。
同时，为了应对复杂的国际贸易局势，公司在泰国进行了先期的产能布局，一期已于去年顺利交付并投入使用，二期项目已经完成装修交付，预计近期将完成设备调试和样品制作。当前，泰国工厂的部分无源器件产品线已经顺利通过客户认证。
2.4 仕佳光子：领先光芯片供应商，间接投资MT 插芯供应商福可喜玛
河南仕佳光子科技股份有限公司（简称仕佳光子）聚焦光通信行业，主要产品包括PLC 分路器芯片系列产品、AWG 芯片系列产品、DFB 激光器芯片系列产品、光纤连接器、室内光缆、线缆材料等，应用覆盖骨干网和城域网、光纤到户、数据中心、 4G/5G 建设等。
仕佳光子的产品中的 PLC 光分路器芯片、AWG 芯片、DFB 激光器芯片等系列产品属于光芯片，主要位于产业链上游，工艺制程复杂、研发周期长、投入大、风险高，因而具有较高的进入壁垒。经过多年的研发和产业化积累，针对光通信行业核心的芯片环节，公司系统建立了覆盖芯片设计、晶圆制造、芯片加工、封装测试的 IDM 全流程业务体系，应用于多款光芯片开发，突破一系列关键技术。
此外，在CPO 渗透加速的背景下，公司已在深圳、河南及泰国建立 MPO 产品的专业化生产基地网络。产能布局兼顾客户与规避贸易壁垒的双重需求，具体扩产进度将根据订单情况动态调整。年初，仕佳光子通过河南泓淇光电子产业基金合伙企业间接投资 MT 插芯供应商福可喜玛，保障 MPO 上游核心物料 MT 插芯的供给，为公司在该领域的扩张创造了优势条件。 （参考来源：国元证券研究所）
