IT新語｜賽迪顧問：CPO光電共封裝——光通信領域的顛倒性技術（2025年第12期（總第30期））

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作 者

物聯(lián)網產業(yè)研究中心

概念定義

共封裝光學（CPO）是一種旨在通過將通信所需的重要元件（即光學及電子元件）更緊密地結合在一起，解決當今數(shù)據(jù)密集網絡中日益增長的帶寬密度、通信時延、銅線傳輸距離以及電源效率挑戰(zhàn)的方案。

發(fā)展背景

云計算、物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、AI等技術狂飆，數(shù)據(jù)量爆炸式增長，數(shù)據(jù)中心對通信帶寬和延遲要求極高，算力需求也猛增，光模塊需向更高帶寬、更低功耗升級。但傳統(tǒng)可插拔光模塊問題重重，其功耗在數(shù)據(jù)中心占比超30%，大規(guī)模部署能耗成本大；占PCB板邊緣空間，接口密度低，難滿足萬卡級超節(jié)點需求；與交換芯片間距大，高速電信號傳輸損耗大，加重定時器又增功耗與時延。CPO光電共封裝技術順勢而生，它將光引擎和交換芯片共封裝，用硅光等新材料優(yōu)化，把兩者間距縮至10mm內，大幅降損耗、功耗，提集成密度。2023年，國際光互聯(lián)網論壇發(fā)布首個CPO草案，中國也出臺相關技術標準。在政策、算力、物聯(lián)網、AI發(fā)展推動下，CPO正成為光通信架構變革、產業(yè)升級的關鍵。

發(fā)展歷程

CPO共封裝光學的發(fā)展歷程始于傳統(tǒng)銅纜互連因功耗高、帶寬受限難以滿足高速傳輸需求，隨后可插拔光模塊雖通過縮短連接距離改善性能但仍存信號衰減問題；接著板載光學（OBO）與近封裝光學（NPO）階段通過優(yōu)化布局和縮短互連進一步降低損耗；最終在2.5D/3D封裝技術推動下，CPO實現(xiàn)光引擎與芯片的深度集成，通過將光學元件直接封裝在硅基板上或采用垂直互連結構，大幅縮短信號傳輸距離、提升集成密度與能效，成為支撐數(shù)據(jù)中心、AI算力集群等場景高速光通信的核心技術。

圖1 CPO光電共封裝演進過程

技術和應用現(xiàn)狀

CPO光電共封裝是一種創(chuàng)新的光電子集成技術。它將激光器、調制器、光接收器等關鍵光學器件在芯片級別上進行封裝，實現(xiàn)與芯片內電路的直接集成。通過光互連技術的運用，該技術顯著提升了通信系統(tǒng)的性能和功率效率。CPO技術將光引擎與電交換芯片共同封裝，打造出全新的芯片設計。CPO技術現(xiàn)在主要應用于數(shù)據(jù)中心和AI算力集群，未來該技術還將向智能駕駛、物聯(lián)網、邊緣計算等新興領域拓展。

CPO光電共封裝的顛覆性影響

CPO正在重塑行業(yè)的技術生態(tài)和升級發(fā)揮核心驅動力作用。CPO光電共封裝通過將光引擎與電子芯片集成于同一基板，實現(xiàn)光信號與電信號的直連互連，徹底顛覆傳統(tǒng)可插拔光模塊的架構。其顛覆性影響主要體現(xiàn)在三方面：一是大幅降低信號傳輸損耗與功耗，提升能效比，解決數(shù)據(jù)中心高密度計算場景下的散熱與能耗瓶頸；二是突破帶寬密度極限，支持400G/800G甚至更高速率傳輸，滿足AI訓練、高性能計算等場景對超高速數(shù)據(jù)交互的迫切需求；三是推動產業(yè)鏈重構，從分立器件向高度集成化封裝演進，上游芯片設計、封裝工藝及下游設備廠商協(xié)同創(chuàng)新。CPO正成為算力基礎設施升級的核心驅動力，重塑數(shù)據(jù)中心、5G/6G網絡及邊緣計算的技術生態(tài)。

應用場景

數(shù)據(jù)中心場景：CPO技術通過將光引擎與交換芯片直接封裝，實現(xiàn)毫米級光電信號傳輸，有效解決傳統(tǒng)可插拔光模塊在100G以上速率下的功耗、散熱及空間限制問題。在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心中，如AWS、微軟、Meta等云廠商已采用硅光集成的CPO方案，支持2公里內高密度光互連，單比特能耗降至1.5皮焦以下，功耗較傳統(tǒng)方案減少40%-50%。

人工智能與高性能計算場景：CPO憑借高帶寬、低延遲（誤碼率降低兩個數(shù)量級）及低功耗特性，成為AI算力爆炸式增長的核心支撐。在AI訓練和推理集群中，谷歌、英偉達的超算中心采用CPO技術實現(xiàn)GPU/TPU與光模塊的共封裝，解決“后摩爾時代”的算力瓶頸；HPC分解式架構則通過OIO（光學輸入輸出）與CPO結合，實現(xiàn)內存、計算、存儲的動態(tài)資源分配，提升AI工作負載效率。

5G/6G及邊緣網絡場景：CPO技術適配5G前傳、回傳網絡及未來6G的高帶寬需求。在5G前傳網絡中，CPO降低基站與核心網間傳輸延遲，支持毫米波、大規(guī)模MIMO等技術的數(shù)據(jù)高速回傳；邊緣計算與城域網則通過CPO實現(xiàn)低功耗、高密度光互連，滿足物聯(lián)網、自動駕駛等實時數(shù)據(jù)傳輸需求。預計2027年CPO在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心收入占比超80%，并逐步滲透至邊緣網絡、量子通信等領域，成為下一代光通信核心技術方向。

技術發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

CPO技術面臨著嚴峻的散熱管理挑戰(zhàn)。由于它將光子引擎、激光器和計算芯片等高功耗元件緊密封裝在同一個基板上，這種高密度集成造成了顯著的發(fā)熱問題。多個熱源聚集在狹小空間內，熱量相互耦合，極易導致局部過熱，從而嚴重影響芯片性能與可靠性。因此，必須設計極為高效且復雜的導熱、均熱與散熱結構，這對傳統(tǒng)的熱管理方案提出了前所未有的考驗。

CPO技術在生產制造上面臨著封裝良率與維護成本的挑戰(zhàn)。在封裝過程中，光電元件之間需要達到微米甚至納米級的對準精度，任何細微的偏差、封裝翹曲或工藝損傷都會直接導致產品良品率下降。此外，這種高度集成的特性也帶來了維護難題，一旦某個核心元件發(fā)生故障，很可能需要更換整個昂貴的共封裝模塊，這使得其后期維護成本遠高于傳統(tǒng)的、可插拔的光模塊方案。

未來展望

從未來展望看，CPO光電共封裝技術將在技術與應用兩大層面深刻重塑信息產業(yè)格局。在技術層面，技術發(fā)展將聚焦于通過2.5D/3D先進封裝、硅光技術與新型波導材料，實現(xiàn)更高的集成密度與更低的傳輸損耗。同時，協(xié)同設計理念將成為核心，推動芯片架構、驅動電路與封裝工藝的全面優(yōu)化，以系統(tǒng)性解決當前在熱管理、測試良率與維護成本上的挑戰(zhàn)。未來，CPO將從一個“封裝”方案，演進為一項平臺型的“系統(tǒng)級”工程技術。在應用層面，CPO技術將成為支撐下一代高速信息基礎設施的關鍵引擎。憑借超高帶寬、超低功耗與延遲的特性，使其成為下一代數(shù)據(jù)中心、高性能計算集群和人工智能訓練的理想互連方案。特別是在AI算力需求爆發(fā)式增長的背景下，CPO能夠有效突破“功耗墻”和“帶寬墻”，確保算力單元之間的高效連接，從而成為智算中心內部光互聯(lián)網絡的骨干技術。

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