CPO光电共封装怎样解决数据中心“功耗-带宽”的困境？

06-19 07:00

电子爱好者网报道(文章 / 李弯弯）CPO（Co-Packaged Optics，光电共封装)是一种将光学器件和电子芯片直接集成到同一个封装中的技术，旨在解决传统数据中心网络中高速信号传输的功耗、延迟和带宽瓶颈问题。伴随着人工智能、云计算、大数据等技术的不断发展，数据中心对网络带宽和能效的需求不断提高，CPO 技术逐渐成为业界关注的焦点。

CPO 光电共封装技术原理及挑战

CPO 技术的核心原理是通过缩短光电设备与芯片之间的物理距离，降低信号传输损耗，提高系统性能。在过去的数据中心或通信系统中，光模块和交换芯片通常通过 PCB 板材连接，数据传输距离长，导致功耗高，延迟大，而且不能满足未来高速的需要。

CPO 核心目标是将光引擎(如激光、调制器、探测器等)与交换芯片(例如激光、调制器、探测器等)进行交换 ASIC）将电信号传输路径直接封装在一起，显著缩短，降低功耗和延迟，提高带宽密度和系统能效。

CPO 在同一封装体内集成光发动机和交换芯片，一般采用 2.5D 或 3D 封装技术。2.5D 包装：通过硅中介层（Interposer）连接光发动机和芯片。3D 包装：通过垂直连接(例如 TSV，硅通孔)实现更短的信号路径。在 CPO 与传统策略的厘米级距离相比，电信号从交换芯片到光发动机的传输距离缩短到毫米级，信号消耗大大降低。

光线发动机负责将电信号转换为光信号(发射端)或将光信号转换为电信号(接收端)。CPO 通过整合光发动机和芯片，可以降低外部光模块的复杂性和功耗。由于数据传输路径缩短，CPO 能降低高功耗 SerDes（串行器 / 依赖解串器，进一步降低功耗。

CPO 具有低功耗、低延迟、高带宽密度、小体积等优点。缩短数据传输路径，减少数据传输路径 SerDes 使用，CPO 可以显著降低功耗。例如，与传统的可插拔光模块相比，CPO 功耗降低 50% 以上。为了满足数据传输路径的缩短，大大减少了延迟。 AI、高性能计算等对低延迟有严格要求的使用场景。CPO 为未来数据中心和通信系统提供更高的端口密度和带宽支持。集成设计降低了系统体积，提高了空间利用率。

当然 CPO 目前技术也面临挑战:一是由于光学器件对热敏感，而芯片和光电器件在共封装结构中的集成度较高，排热空间有限，排热难度较大。CPO 该模块集成了大量的光电设备，在运行过程中会产生较高的热密度，可以达到 500W/cm ²。如此高的热密度，如果没有得到有效的管理，就会导致模块温度升高，影响设备的性能和可靠性，甚至引起故障。当前，液体冷却和微通道散热技术被称为处理 CPO 散热问题的有效途径，但液冷系统的复杂性和成本较高，微通道散热技术的制造工艺难度较大。

第二，实现封装工艺是实现封装工艺。 CPO 其复杂性和技术难度是技术的重要环节之一。TSV 和 TGV(玻璃埋孔)等先进的封装技术是实现光电混合和集成的重要手段， TSV 良性率低，制造成本高，TGV 对准精度要求高、工艺复杂等方面的限制 CPO 大规模工业化技术应用。

CPO 重点企业和技术水平

CPO 涉及光模块、光芯片、光器件、交换机、封装设备、散热材料等诸多领域的关键公司很多，如中际旭创、光迅科技、新易盛、华工科技、博创科技、仕佳光子、源杰科技、立讯科技、光库科技、天孚通信、锐捷网络、紫光股份等。

全球光模块龙头企业中际旭创，致力于 800G/1.6T R&D生产高速光模块，商品用于数据中心和 AI 计算集群，800G 全球光模块市场份额超过 50%，在 CPO 在光模块领域处于领先地位，英伟达等国际巨头被深度绑定。

光迅科技，在 CPO 封装和硅光芯片领域已经积累了很多年，产品覆盖了光芯片、无源器件和模块。主要为电信运营商和超级计算中心提供定制化。 CPO 解决方案。2024 联合思科每年发布世界第一款。 1.6T 参与国际制定的硅光模块 CPO 标准。

新易盛，800G 光模量产能力领先，已经领先 OFC2023 在此期间推出相关内容 1.6T 光模块商品是世界上为数不多的掌握商品。 1.6T 光模块量产技术公司，2024 年启动 CPO 试生产线，估计 2026 年度大规模量产。

国际一流光电企业华工科技，具有从芯片到模块的全产业链能力。其光模块产品覆盖布局400G/800G， CPO 包装试验生产线。世界首发 3.2Tb/s 液冷 CPO 超级计算光发动机，能效低至 5pJ/bit，功耗减少 70%。

博创科技，领先的硅光技术，400G 量产、800G 完成验证，CPO 降低散热方案的功耗 23%，绑定 Marvell 开发 AEC 商品，是国内唯一实现商业化的企业，PLC 光分路器 /DWDM 排名第一，布局 CPO 配套器件。

提供仕佳光子 CPO 大功率等核心部件 CW DFB 激光器、MPO 连接器，适配 1.6T 光线模块，是国产光芯片的标杆，PLC 全球分路器市场份额 20%。

源杰科技，25G 激光芯片技术突破者，CPO 上游核心芯片供应商。世界 10G 激光芯片市场份额第一，CW 大功率激光技术适配 CPO 需求。单波 100G EML、50G VCSEL 批量生产，支持芯片 800G 升级上述光模块。

立讯技术，现在 CPO 技术领域积累深厚。自主研发的“共封装光连接技术”创新性地将光收发芯片、光电信号转换芯片与Cpu集成，缩小模块体积 40%。与全球头部硅光芯片制造商联合开发专用光。 / 电子芯片，提高信号完整性和功耗性能。

光库技术，800G 碳酸锂调制器芯片量产，适合 CPO 包装，降低光模块全周期成本进入英伟达、思科供应链40%，覆盖长距离骨干网络和超算中心。

天孚通讯，光器件一站式解决方案，CPO 上游核心供应商。CPO 该系统是一种高度集成的光电通信架构，包括激光、微环调制器、光波导、光电探测器、驱动电路、光耦合器和热管理系统等。天孚通信为 CPO 与中际旭创、博创科技等厂商深度合作，提供激光器、光放大器等关键无源器件。专利优势在于高速光发动机的封装和散热设计。

世界上第一个锐捷网络 CPO 交换机，整机功耗降低 23% 降低液体冷却和散热成本参与制定的35% CPO 交换机国际白皮书，技术标准话语权突出。

紫光股份，推出国内首款首款。 51.2T CPO 结合液冷散热和硅光技术，硅光数据中心交换机单芯片带宽达到 51.2T，功耗减少 40% 上述，主要服务于 AI 计算网络，满足低时延、高吞吐的需要。

写在最后

CPO 技术的工作原理是将光发动机和交换芯片集成在同一个封装体内，实现光电信号的高效转换和低损耗传输。其核心是缩短数据传输路径，提高功耗和热管理，以满足未来高速、低延迟、高带宽密度的通信需求。随着包装工艺和散热技术的发展，CPO 该技术有望广泛应用于数据中心、高性能计算、人工智能等领域。

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