文章核心观点 - 共封装光学器件技术是数据中心人工智能发展的关键技术方向，旨在解决高带宽、低功耗和成本效益问题，但大规模量产和良率提升仍是当前瓶颈 [1] - 英伟达是推动CPO技术量产和市场应用最积极的公司，其需求与压力显著加速了整个供应链的发展 [1][2] - 光互连技术正在数据中心内部快速普及，未来五年内，CPO将逐步取代可插拔收发器和铜缆，实现所有高带宽数据互连的光纤化 [3][4][19] - 光路交换技术作为下一代数据中心网络架构，能够降低延迟和功耗，正获得谷歌等超大规模数据中心运营商的采用，并吸引新的供应商进入，市场潜力巨大 [34][36][45] 行业趋势与技术发展 - 人工智能推理需求呈指数级增长，驱动数据中心基础设施升级 英伟达AI计算订单积压额从去年的5亿美元增长至如今的1万亿美元 [5] Anthropic和OpenAI的年营收均已达到约250亿美元 [5] - 光互连技术正从长途通信向数据中心机架级通信演进，其驱动力是带宽和可靠性的提高，以及尺寸、功耗和成本的下降 [10][12] - 数据中心横向扩展网络正从可插拔光收发器向CPO过渡，纵向扩展网络正从铜缆向CPO过渡 [19] - 光路交换技术能够降低40%的功耗并减少资本支出，谷歌已将其需求外包，带动Lumentum和Coherent的OCS潜在收入在几个季度内从1亿美元飙升至4亿美元 [34] Lumentum近期宣布与一家客户达成一项价值10亿美元的交易 [34] - OCS的潜在市场规模预计将超过30亿美元，并可能随着应用增加而变得更大 [36] 主要参与公司与技术进展 - **英伟达**：是推进CPO部署最积极的公司，不断敦促供应商做好量产准备 [1] 计划在2028年推出采用CPO技术的Feynman NVLink 8交换机用于扩展型连接 [8] 其CPO技术基于台积电的COUPE平台制造 [9][24] - **博通**：已研发CPO多年，并已开始向客户进行初步出货 [2] 与英伟达同为采用台积电COUPE技术的两大厂商 [18] - **台积电**：其COUPE技术是英伟达和博通CPO解决方案的基础平台 [18][24] COUPE芯片在传输波段内损耗仅为1 dB [27] - **Marvell Technology**：已收购Celestial，是探索CPO技术的厂商之一 [2][20] - **Ayar Labs**：与Wiwynn合作，在OFC 2026上展示了一款全CPO扩展机架系统 [20] - **光路交换供应商**：主要参与者包括Lumentum、Coherent以及初创公司iPronics、n-eye和Salience [34][47] iPronics已向客户售出数十台32×32 OCS产品交换机 [57] CPO技术细节与挑战 - **技术原理**：CPO将光子集成电路与电光集成电路键合，光信号通过PIC传输，EIC提供电光接口 [26] 初期生产阶段，光学引擎可能位于有机基板上或采用NPO配置 [31] - **生产挑战**：生产和验证极具挑战性，良率仍有提升空间，是生态系统公认的最大瓶颈 [1] 大规模部署要求生产良率达到足够高的水平以实现成本效益 [1] - **可靠性验证**：Meta公司的数据显示，CPO光收发器比可插拔光收发器更可靠 [19] 一旦可靠性得到验证，CPO将广泛应用并取代可插拔收发器和铜缆 [19] - **下一步发展**：行业正在探索密集波分复用技术，以在单根光纤上增加波长数量，实现更高的带宽和更低的功率 [31][33] 所有厂商都将使用微环调制器以实现光子器件的微型化 [31] 光路交换技术细节 - **技术方案**：存在多种技术路径，包括MEMS、压电、机器人、液晶和波导 [49] 硅光子OCS交换机将所有输入光纤接入光子芯片进行交换 [47] - **性能要求**：未来OCS需要满足极低损耗、高带宽密度、模块化设计以减小故障影响范围、以及低成本等条件 [48] 英伟达研究人员提出每个交换机机架需配备数千个OCS交换机端口 [48] - **初创公司进展**： - **n-eye**：其技术方案采用MEMS，单个芯片可在约1微秒内完成电路切换 [53][55] - **iPronics**：采用半导体光放大器，已证明产品在O波段具有出色宽带性能，与未来DWDM方案兼容潜力大 [59] 展示了可运行的32×32交换机，并计划每年将OCS密度翻一番 [61] - **Salience Labs**：展示了32×32 OCS交换机设计，理念接近iPronics [64] 数据中心架构演进 - **连接方式变革**：在CPO普及的系统中，所有高带宽互连都将采用光纤，铜线将仅用于散热 [21] 机架内部连接可能仍用铜缆，机架之间连接改用光纤 [9] - **网络架构演进**：OCS能够提高网络故障恢复能力，允许重新配置网络，并通过替换部分电气交换机来扁平化网络，降低延迟和功耗 [45] 谷歌的架构中，所有机架通过光纤连接到OCS机架，创建大规模集群 [38] - **行业影响**：光通信将改变数据中心架构以及其中CMOS芯片的架构，成功的芯片制造商需要学习如何与光通信协同工作 [66]

共封装光学器件(CPO)技术概述 - 基于CPO的网络交换机已商业化，支持太比特级信号路由，但面临光纤-PIC对准、热管理和光学测试等制造挑战 [1] - CPO将光电转换靠近GPU/ASIC交换机，带宽密度达1 Tbps/mm，相比可插拔模块功耗从15 pJ/bit降至5 pJ/bit(预计<1 pJ/bit) [1][6] - 当前数据中心采用可插拔光收发器通过PCB电连接交换机，存在信号损耗和能效瓶颈 [1][2] 技术优势 - 缩短电信号传输距离至100µm，信号损耗从>20dB降至1-2dB，SerDes组件需求降低 [7] - 硅光子IC采用DWDM技术，单个光纤端口带宽扩展10倍，器件微型化推动与计算节点集成 [6] - 典型配置中计算芯片被4-8个硅光子IC收发器包围，激光器因可靠性问题单独封装 [6] 制造挑战 光纤对准 - 单模光纤(8-10µm)与SOI波导(500x220nm)尺寸差异导致模式失配，需0.1µm精度对准 [8][9] - V型槽无源对准实现最低损耗，可拆卸方案每个接口增加约1dB损耗 [8] - 光纤阵列对准需3D调整，自动化系统通过光反馈优化多通道耦合效率 [10] 热管理 - 1°C温度变化导致0.1nm波长偏移，DWDM架构下热稳定性要求更严格 [11] - 激光器可靠性是最大缺陷来源，多波长激光器将提高测试要求 [13] - 需选择热界面材料并部署传感电路，保持PIC在>105°C环境下的性能 [11][13] 可靠性设计 - 采用Telcordia GR468和JEDEC标准测试，硅光子器件故障率低于1 FIT [14][16] - 冗余设计包括备份激光器阵列和容错架构，支持自动切换降低停机时间 [15] - 集成监控/BiST功能实现自校正，晶圆级测试对复杂多芯片组件至关重要 [15][16] 封装架构 - 2.5D方案中EIC与PIC通过硅中介层互连，可集成波导/光栅等光学特性 [17] - 3D堆叠允许EIC用先进CMOS节点、PIC用硅光子平台，但增加TSV/HBI成本 [18] - 单片集成简化散热但限制IC工艺节点，3.5D方案结合EMIB实现最优性能 [18] 行业应用前景 - CPO为AI数据中心提供带宽和能效突破，光子IC性能达传统收发器10倍 [7][20] - 技术依赖精密对准、热管理及测试方法，需内置冗余保障高可靠性运行 [20]