CPO量產(chǎn)引爆AI算力底層革命，硅光與互連成最大贏(yíng)家？

AI數(shù)據(jù)中心對(duì)帶寬和能效的需求持續(xù)攀升，驅(qū)動(dòng)光互連技術(shù)走到了一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

天風(fēng)證券于4月16日發(fā)布的行業(yè)深度報(bào)告《CPO通信器件深度剖析》指出，CPO（共封裝光學(xué)）交換機(jī)已正式進(jìn)入量產(chǎn)階段，英偉達(dá)與博通雙雙落地商業(yè)產(chǎn)品，臺(tái)積電COUPE硅光平臺(tái)成為底層核心架構(gòu)。

為什么CPO如此重要？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)光模塊是"插在交換機(jī)外面的"，信號(hào)要繞一大圈；CPO則是把光引擎直接封裝進(jìn)交換機(jī)芯片旁邊，信號(hào)路徑從幾十厘米縮到幾毫米。天風(fēng)證券報(bào)告援引英偉達(dá)數(shù)據(jù)顯示，這一改變將插入損耗從22dB大幅降低至約4dB，信號(hào)完整性提升63倍，系統(tǒng)光功率效率最高提升5倍，網(wǎng)絡(luò)韌性提升10倍。

英偉達(dá)雙平臺(tái)落地，Spectrum-X首款CPO以太網(wǎng)交換機(jī)全面量產(chǎn)

天風(fēng)證券報(bào)告顯示，英偉達(dá)在GTC 2025上首次發(fā)布Quantum-X Photonics與Spectrum-X Photonics兩條CPO產(chǎn)品線(xiàn)。

Spectrum-X方面，其CPO交換芯片已進(jìn)入全面量產(chǎn)階段。作為全球首款全面集成的512 lane 200G-capable CPO以太網(wǎng)交換機(jī)系統(tǒng)，已集成至Vera Rubin平臺(tái)中的Spectrum-6 SPX網(wǎng)絡(luò)機(jī)架，采用102.4 Tb/s交換芯片。

能效是這一方案的核心賣(mài)點(diǎn)。報(bào)告援引數(shù)據(jù)稱(chēng)，傳統(tǒng)1.6Tbps可插拔光模塊功耗約30W，其中超過(guò)一半消耗于DSP。英偉達(dá)CPO方案通過(guò)將硅光器件直接集成至交換機(jī)封裝內(nèi)部并取消DSP結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)了最高可達(dá)5倍的光功率效率提升，以及10倍的網(wǎng)絡(luò)韌性提升；同時(shí)減少激光器數(shù)量約4倍，降低運(yùn)營(yíng)成本與網(wǎng)絡(luò)中斷風(fēng)險(xiǎn)。

Quantum-X方面，液冷交換機(jī)系統(tǒng)Q3450搭載四顆Quantum-X ASIC，總計(jì)144個(gè)MPO物理端口，整機(jī)全雙工帶寬達(dá)115.2Tbps，單顆ASIC吞吐能力28.8Tbps。每顆ASIC集成18個(gè)光引擎，每個(gè)光引擎可提供1.6Tbps帶寬。

博通：從Bailly到Davisson，能效提升超3.5倍

博通則是最早實(shí)現(xiàn)支持CPO系統(tǒng)的廠(chǎng)商之一，在英偉達(dá)加入之前，也是唯一一個(gè)發(fā)布了配備CPO生產(chǎn)系統(tǒng)的廠(chǎng)商。

其Tomahawk 5 – Bailly（TH5-Bailly）為業(yè)內(nèi)首個(gè)量產(chǎn)CPO解決方案，整機(jī)帶寬51.2Tbps，集成8個(gè)光引擎，每個(gè)光引擎帶寬6.4Tbps，對(duì)應(yīng)64條100Gbps通道。

代際升級(jí)方面，博通推出Tomahawk 6 – Davisson（TH6-Davisson）102.4Tbps CPO交換平臺(tái)，單調(diào)制器速率達(dá)200Gbps，較Bailly翻倍。報(bào)告稱(chēng)，該平臺(tái)相比傳統(tǒng)可插拔光模塊方案，光互連功耗降低約70%，系統(tǒng)能效提升超過(guò)3.5倍

值得關(guān)注的是，博通早期曾多次迭代采用SPIL開(kāi)發(fā)的扇出晶圓級(jí)封裝（FOWLP）方案，但由于寄生電容較大，單通道速率難以擴(kuò)展至100Gbps以上。為此，博通轉(zhuǎn)向基于臺(tái)積電COUPE技術(shù)的封裝架構(gòu)，以進(jìn)一步降低信號(hào)調(diào)理需求并最大限度減少跡道損耗和反射。

臺(tái)積電COUPE硅光：雙巨頭共同押注的技術(shù)底座

為什么英偉達(dá)和博通都選擇了同一家供應(yīng)商的同一套方案？

報(bào)告指出，COUPE（緊湊型通用光引擎）是臺(tái)積電基于SoIC 3D混合鍵合技術(shù)構(gòu)建的硅光平臺(tái)，核心在于通過(guò)晶圓級(jí)垂直堆疊，將電子集成電路（EIC）直接鍵合至光子集成電路（PIC）之上。

可以做一個(gè)簡(jiǎn)單類(lèi)比：傳統(tǒng)方案中，PIC和EIC之間的電信號(hào)連接就像隔著一條走廊喊話(huà)，能量損耗大、速度慢；而COUPE的3D鍵合相當(dāng)于兩塊芯片直接貼合對(duì)話(huà)，路徑極短、損耗極低。

報(bào)告援引臺(tái)積電數(shù)據(jù)顯示，與其他鍵合方法相比，SoIC混合鍵合使PIC-EIC接口組合密度提升至少16倍，寄生電容降低約85%，在相同功耗條件下可實(shí)現(xiàn)約40%的能耗下降或最高170%的速度提升；3 dB帶寬仿真數(shù)據(jù)顯示可超過(guò)100 GHz。

從系統(tǒng)能效角度，傳統(tǒng)銅互連系統(tǒng)功耗通常超過(guò)30 pJ/bit，傳統(tǒng)可插拔光模塊亦在10 pJ/bit以上；而基于COUPE完全集成的光學(xué)引擎，單位能耗可降至2 pJ/bit以下，同時(shí)延遲降低超過(guò)95%。

報(bào)告還指出，在量產(chǎn)落地階段，隨著CPO封裝向大尺寸與多光引擎整合演進(jìn)，具備系統(tǒng)級(jí)先進(jìn)封裝能力的OSAT廠(chǎng)商可能參與后段整合。天風(fēng)證券稱(chēng)，"日月光已展示可在>75mm × 75mm封裝中整合多個(gè)光學(xué)引擎與ASIC，實(shí)現(xiàn)<5 pJ/bit功耗并提升帶寬，因此，COUPE路徑下的CPO封裝落地存在由日月光等廠(chǎng)商承接的可能。"

高密度互連器件：FAU需求翻倍，MPO/MPC突破空間極限

CPO帶來(lái)的不只是芯片層面的變化，還有一個(gè)容易被忽視的難題：上千根光纖怎么走線(xiàn)。

CPO交換機(jī)內(nèi)部有超過(guò)1000根光纖需要走線(xiàn)和管理，光纖耦合與高密度互連器件的重要性因此大幅提升。以英偉達(dá)X800-Q3450為例，天風(fēng)證券報(bào)告指出，超過(guò)1000根光纖從光引擎中引出，"造成了重大的組織挑戰(zhàn)"。這直接帶動(dòng)了一批光學(xué)陣列器件的需求。

天風(fēng)證券報(bào)告指出，光纖陣列單元（FAU）被廣泛用于輔助CPO中至關(guān)重要的光纖耦合過(guò)程，以低插入損耗將來(lái)自硅透鏡的光耦合到光纖中。據(jù)電子發(fā)燒友網(wǎng)引用數(shù)據(jù)，在CPO應(yīng)用場(chǎng)景中，單臺(tái)CPO交換機(jī)所需FAU數(shù)量可達(dá)傳統(tǒng)方案的3至5倍。博通已在其Bailly CPO交換平臺(tái)中集成康寧（Corning）提供的精密光纖陣列（FAU）。

在連接器層面，報(bào)告介紹了兩類(lèi)關(guān)鍵產(chǎn)品：

MPO連接器：可同時(shí)完成多芯光纖的并行傳輸，大幅提升布線(xiàn)密度。SENKO的MPO EZ-Way連接器采用更低矮的外形設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)MPO連接器相比，可在光模塊接口上安裝的MPO連接器數(shù)量增加一倍

MPC連接器：專(zhuān)為CPO和高速數(shù)據(jù)中心應(yīng)用設(shè)計(jì)的光纖到芯片直連方案，通過(guò)微鏡陣列將光直接耦合到芯片，連接器高度可降至0.6mm，將插入損耗降至最低。

此外，報(bào)告還提到，OIF正通過(guò)制定3.2T CPO模塊實(shí)施協(xié)議，推進(jìn)多平面互連中的光接口一致性與外部激光源的模塊化，以期構(gòu)建開(kāi)放的CPO生態(tài)系統(tǒng)。

外部激光源：可換模塊解決可靠性痛點(diǎn)

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心光學(xué)系統(tǒng)中，激光器反復(fù)經(jīng)歷熱循環(huán)，是導(dǎo)致故障和網(wǎng)絡(luò)中斷的主要原因之一。CPO的解決方案是把激光器"請(qǐng)出來(lái)"，集中放置在獨(dú)立溫控環(huán)境中。

天風(fēng)證券報(bào)告介紹，英偉達(dá)Quantum-X Photonics配備18個(gè)外部激光源（ELS），每個(gè)ELS模塊包含8個(gè)獨(dú)立激光發(fā)射器，整機(jī)共144個(gè)。每個(gè)激光器支持4×200Gbps通道，單MPO連接器總帶寬800Gbps。

關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于：激光器集中部署后，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比"數(shù)據(jù)中心內(nèi)激光器總數(shù)減少了四倍"，且每個(gè)ELS模塊支持現(xiàn)場(chǎng)更換，"不影響周邊交換機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施"。天風(fēng)證券報(bào)告援引英偉達(dá)數(shù)據(jù)稱(chēng)，這使網(wǎng)絡(luò)韌性提升10倍。

BOM成本拆解：7萬(wàn)美元一臺(tái)，光引擎與混纖盒是最大成本項(xiàng)

一臺(tái)CPO交換機(jī)到底值多少錢(qián)？天風(fēng)證券報(bào)告給出了詳細(xì)拆算。

以英偉達(dá)X800-Q3450為例：

• 光引擎：每個(gè)單元完整組裝（含光纖連接單元）成本約1000美元，僅光引擎總物料成本即達(dá)35,000至40,000美元（針對(duì)3.2T光引擎版本）；

• 混纖盒：用于組織超過(guò)1000根光纖，處理數(shù)千根光纖的X800-Q3450，混纖盒采購(gòu)成本將超過(guò)3000美元

• BOM總成本：含2000米光纖及其他雜項(xiàng)組件，合計(jì)約70,640美元

• 終端售價(jià)估算：假設(shè)毛利率60%，售價(jià)約176,600美元，加上三年服務(wù)與保修分配的28,256美元，含服務(wù)總售價(jià)約204,856美元

• 總功耗：3,548瓦。

報(bào)告提示，上述成本估算基于當(dāng)前生產(chǎn)規(guī)模，隨著產(chǎn)量擴(kuò)大可能有所改善。