产棱拆解|CPO完整产业链:从电芯片、光芯片到AI Factory的下一代光互连体系
本文 15 节
从电芯片→光芯片→激光器→光引擎→封装→PCB/CCL→光纤→交换机→AI Factory完整贯通。
一、核心结论
CPO(Co-Packaged Optics,共封装光学)的本质,并不是把传统光模块换一种封装方式。
它真正改变的是:
AI数据中心中“电信号在哪里转换成光信号”的位置。
传统网络架构中:
交换芯片 → PCB高速电走线 → 光模块 → 光纤
高速电信号需要从交换芯片经过PCB传输到机箱前面板的可插拔光模块,然后再完成:
电 → 光
随着交换芯片带宽从25.6Tbps、51.2Tbps向102.4Tbps乃至更高水平发展,单通道SerDes(Serializer/Deserializer,串行器/解串器)速率持续提升,电信号在PCB和封装内部传输的损耗、功耗、串扰和信号完整性问题迅速加剧。
CPO的核心思路就是:
把光电转换尽可能靠近交换芯片。
因此架构从:
Switch ASIC(交换芯片)
↓
高速PCB电连接
↓
可插拔光模块
↓
光纤
变成:
Switch ASIC(交换芯片)
↓
Optical Engine(光引擎)
↓
Fiber(光纤)
这实际上把整个产业链重新组织起来。
完整CPO产业链应该理解为:
AI算力需求
↓
Switch ASIC交换芯片
↓
SerDes高速电接口
↓
Driver / TIA等电芯片
↓
Silicon Photonics硅光芯片
↓
Laser激光器
↓
Optical Engine光引擎
↓
Advanced Packaging先进封装
↓
Substrate / PCB / CCL基板与高速线路
↓
Fiber光纤
↓
CPO交换机
↓
AI Network人工智能网络
↓
AI Factory人工智能工厂
所以,CPO真正研究的不是一个器件,而是:
一套新的高速数据互连体系。 二、为什么AI时代需要CPO?理解CPO之前,首先必须理解AI Factory为什么越来越需要网络。
传统服务器时代:
CPU处理任务。
网络负责服务器之间的数据交换。
但AI集群完全不同。
一个大型AI训练任务可能同时使用:
数千、数万甚至更多GPU/XPU。
这些计算芯片必须不断交换:
- 模型参数
- 梯度
- 激活值
- KV Cache
- 数据
- 集群控制信息
因此GPU之间的通信量越来越大。
这意味着:
计算能力增长的同时,网络带宽也必须同步增长。
否则GPU即使拥有非常强的计算能力,也会因为等待数据而降低利用率。
因此AI Factory逐渐变成:
计算能力 + 内存带宽 + 网络带宽
三个体系共同决定整体性能。
三、AI网络为什么最终逼向光?最核心的问题是:
电信号传输损耗。交换芯片内部的数据是电信号。
但是如果两个设备距离比较远:
芯片
↓
PCB
↓
连接器
↓
铜线
↓
光模块
那么高速电信号就必须在铜线路上跑一段距离。
随着速率不断提高:
56G/lane
→
112G/lane
→
224G/lane
→
448G/lane
电互连越来越困难。
因为高速信号会出现:
插入损耗
反射
串扰
介质损耗
导体损耗
抖动
等问题。
因此:
数据速率越高,越希望尽早把电信号转换成光信号。
这就是CPO产生的物理基础。
四、CPO的第一层:电芯片很多CPO分析从“光芯片”开始,这是不完整的。
真正的起点应该是:
电芯片。因为CPO首先服务的是:
交换芯片产生的数据。五、Switch ASIC:整个CPO系统的大脑
Switch ASIC(Switch Application-Specific Integrated Circuit,交换专用集成电路)是CPO交换机的核心计算/交换芯片。
它负责:
决定数据包从哪个端口进入、从哪个端口出去。
可以把它理解成:
AI网络里的高速交通调度中心。
典型交换芯片厂商包括:
Broadcom(博通)
以及:
NVIDIA(英伟达)
等。
Broadcom已经推出102.4Tbps级Tomahawk 6交换芯片,并将CPO作为下一代高速交换架构的重要组成部分。
六、为什么Switch ASIC是CPO的第一推动力?因为交换芯片带宽越高:
需要处理的数据越多。
例如:
25.6Tbps
↓
51.2Tbps
↓
102.4Tbps
↓
更高
这意味着芯片需要越来越多高速I/O(Input/Output,输入输出接口)。
于是:
交换芯片本身越来越强,但芯片与光模块之间的电连接反而越来越困难。
这形成一个非常重要的矛盾:
计算/交换芯片速度提升得越快,传统电互连越接近瓶颈。
CPO就是解决这个矛盾。
七、SerDes:连接电芯片与光芯片的高速电接口SerDes(Serializer/Deserializer,串行器/解串器)是CPO产业链中非常重要的电路。
它负责:
并行数据
↓
高速串行数据
以及:
高速串行数据
↓
并行数据
简单理解:
它负责把交换芯片里的数据变成可以高速传输的串行电信号。
因此:
Switch ASIC
↓
SerDes
↓
Driver
↓
光调制器
就是CPO发射方向的重要电路径。
八、SerDes为什么是CPO的关键瓶颈?因为SerDes每一代速度提升,都会直接增加电互连难度。
例如:
112G SerDes
↓
224G SerDes
↓
448G SerDes
每提升一代:
PCB损耗
封装损耗
连接器损耗
信号完整性要求
都会同步提高。
因此:
SerDes升级是CPO产业发展的重要触发变量。九、Retimer与CDR:高速信号的“修复器”
Retimer(重定时器)主要负责:
重新恢复高速信号的时序和质量。
CDR(Clock and Data Recovery,时钟数据恢复)负责从高速数据流中恢复时钟并重新采样数据。
传统高速光模块中这些功能非常重要。
但是CPO的核心目标之一,就是:
尽可能缩短高速电通道、减少不必要的信号处理。
所以未来CPO、LPO和传统可插拔光模块之间,一个重要区别就是:
哪些信号处理功能还需要保留。十、Driver:电芯片进入光芯片之前的最后一步
Driver(驱动芯片)负责驱动:
激光器
或者:
光调制器
所以发射端:
Switch ASIC
↓
SerDes
↓
Driver驱动芯片
↓
Modulator光调制器
↓
Laser激光器
↓
Fiber光纤
Driver实际上就是:
电世界进入光世界之前的最后一个关键电芯片。十一、TIA:光重新进入电世界的入口
TIA(Transimpedance Amplifier,跨阻放大器)位于接收端。
完整接收路径:
Fiber光纤
↓
Photodiode光探测器
↓
TIA跨阻放大器
↓
后级电路
↓
SerDes
↓
Switch ASIC
Photodiode接收到光之后,会产生非常微弱的电流。
TIA负责:
把这个微弱电流转换成可处理的电压信号。
因此:
发射:
电 → 光
接收:
光 → 电
而Driver和TIA正好构成:
电芯片与光芯片之间的重要接口。十二、第二层:光芯片
进入光芯片以后,CPO开始真正进入:
Silicon Photonics(硅光)。硅光的核心思想是:
把过去大量独立的光学器件,尽可能集成到硅基光子芯片上。
传统光模块:
激光器
透镜
调制器
分束器
探测器
光纤
大量独立器件进行精密组装。
硅光则希望把大量光学功能集成到:
PIC(Photonic Integrated Circuit,光子集成电路)
里面。
十三、PIC:硅光系统的核心PIC(Photonic Integrated Circuit,光子集成电路)可以理解成:
光领域对应于电子领域“集成电路”的东西。
其中可以集成:
Waveguide(光波导)
Modulator(光调制器)
Photodetector(光探测器)
Coupler(光耦合器)
Splitter(光分路器)
Mux/Demux(复用/解复用器)
等。
十四、Waveguide:光在芯片里的高速公路Waveguide(光波导)负责:
让光在芯片内部按照指定路径传播。
可以把它理解成:
铜线
对应电子。
而:
Waveguide
对应光。
区别是:
铜线传的是电子信号。
Waveguide传的是光。
十五、Modulator:把电信号写进光里Modulator(光调制器)负责:
改变光的强度、相位或其他光学特性,把电信号加载到光信号中。
例如:
电信号:101101...
通过调制器以后:
变成携带信息的高速光信号。
因此:
Driver
↓
Modulator
↓
Optical Signal
是整个发送端的核心。
十六、PAM4:高速光通信的重要调制方式PAM4(4-level Pulse Amplitude Modulation,四电平脉冲幅度调制)目前是高速数据中心互连的重要技术。
传统NRZ(Non-Return-to-Zero,非归零)每个符号表达1 bit。
PAM4每个符号可以表达:
2 bit
因此可以在不简单倍增符号速率的情况下提升数据速率。
但代价是:
四个电平之间的间隔变小。
所以对:
信噪比
线性度
抖动
损耗
提出更高要求。
十七、Micro-Ring:一种重要的硅光调制器路线Micro-Ring Modulator(微环调制器)是一种硅光调制器。
它具有:
面积小
功耗低
容易进行高密度集成
等特点。
因此非常适合CPO这种:
芯片附近空间极其有限的系统。
但它对:
温度
非常敏感。
这意味着:
光学设计
和
热设计
必须同时解决。
十八、Photodetector:把光重新变成电Photodetector(光探测器)通常采用高速光电探测结构。
它负责:
把光信号转换成电流。
典型接收路径:
Fiber
↓
Coupler
↓
Photodetector
↓
TIA
↓
电信号
所以整个CPO实际上形成一个完整闭环:
电 → 光 → 电。十九、第三层:激光器
硅本身并不擅长直接产生激光。
因此硅光系统必须解决:
光源从哪里来?
这就是Laser(激光器)。
常见路线包括:
DFB激光器
EML
CW Laser(连续波激光器)
二十、DFB激光器DFB(Distributed Feedback Laser,分布式反馈激光器)是成熟的半导体激光器。
它负责产生:
稳定、高质量的激光。
优势是:
技术成熟
产业链完善
应用广泛
二十一、EML:激光器+调制器EML(Electro-absorption Modulated Laser,电吸收调制激光器)把:
Laser
与:
Electro-absorption Modulator(电吸收调制器)
结合。
它能够直接输出高速调制光信号。
因此在高速光通信领域长期占据重要位置。
二十二、CW Laser:CPO非常重要的光源CW Laser(Continuous-Wave Laser,连续波激光器)的核心作用是:
提供稳定的连续光源。
然后通过硅光芯片上的调制器把数据加载进去。
这形成:
CW Laser
↓
Silicon Photonics
↓
Modulator
↓
高速光信号
二十三、为什么CPO越来越重视外置激光器?因为一个CPO交换机可能拥有大量光通道。
如果把大量激光器全部放在:
Switch ASIC
旁边。
那么:
热管理会成为非常严重的问题。
因为:
ASIC
本身就是高功耗热源。
而激光器对温度也非常敏感。
所以出现:
ELS——External Laser Source(外置激光源)即:
把激光器从高热区域拿出来。
然后通过光纤把光源送给Optical Engine。
这是一条非常重要的CPO工程演进路线。
二十四、第四层:光学器件有了:
光芯片
和:
激光器
还不够。
还必须解决:
如何让光高效率地进入芯片、在芯片内部传播,再高效率地进入光纤。
因此需要大量光学器件。
包括:
Coupler(耦合器)
Splitter(分路器)
MUX/DEMUX(波分复用/解复用器)
Lens(透镜)
Fiber Array(光纤阵列)
二十五、Coupler:芯片与光纤之间的桥Coupler(光耦合器)负责:
把芯片中的光和外部光纤连接起来。
这看似简单。
实际上是CPO非常重要的技术壁垒。
因为:
芯片光波导
尺寸非常小。
而:
光纤
尺寸相对更大。
两者必须实现高精度:
位置对准
角度对准
高度对准
才能获得较低的光损耗。
二十六、Fiber Array:CPO非常关键的封装部件Fiber Array(光纤阵列)就是:
把大量光纤按照固定间距排列起来。
CPO需要同时处理大量高速光通道。
所以:
单根光纤已经不够。
必须进行:
多光纤阵列化
这直接涉及:
光纤排列
耦合精度
封装
连接器
机械可靠性
二十七、第五层:Optical Engine现在进入CPO的核心中间层:
Optical Engine(光引擎)。光引擎可以理解为:
把光芯片、电芯片、激光器、光纤等组合成一个可以独立完成光电转换的核心单元。
典型组成:
PIC硅光芯片
Laser激光器
Driver驱动芯片
TIA接收芯片
Coupling耦合结构
Fiber Array光纤阵列
↓
Optical Engine 二十八、为什么Optical Engine是CPO的核心?因为CPO不是简单:
“把光模块放到交换芯片旁边。”
真正的CPO是:
把原来光模块内部的关键功能拆开、重新设计,并与Switch ASIC进行系统级共封装。
因此Optical Engine成为:
电世界和光世界之间的核心接口。二十九、第六层:Advanced Packaging先进封装
CPO真正最难的部分之一来了:
怎么把Switch ASIC和Optical Engine放到一起?这就是Advanced Packaging(先进封装)。
传统:
ASIC
↓
封装
↓
PCB
↓
光模块
现在:
ASIC
Optical Engine
↓
共同封装
↓
Substrate
↓
PCB
三十、为什么CPO实际上也是先进封装产业?因为这里同时涉及:
电连接
光连接
机械连接
热连接
四个系统。
普通芯片封装主要考虑:
电 + 热 + 机械
CPO则增加:
光。
因此:
CPO = 电子封装 + 光学封装 + 热管理 三十一、封装基板Substrate(封装基板)是ASIC和PCB之间的重要桥梁。
它负责:
芯片连接
信号传输
电源分配
机械支撑
CPO中的高速信号需要经过极短、极低损耗的电路径。
因此:
封装基板本身也开始进入高速材料升级。三十二、ABF与CPO
这里就和上一期的:
电子布 → 树脂 → 铜箔 → CCL → PCB → HDI → ABF基板
连接起来了。
ABF(Ajinomoto Build-up Film,味之素增层膜)是一种高性能封装绝缘材料。
它主要应用于:
高端IC封装基板。
当CPO中的ASIC越来越大、I/O越来越多:
封装基板
↓
线路密度提高
↓
线宽线距缩小
↓
Build-up层增加
↓
ABF的重要性提升。
因此:
ABF不是CPO的直接核心器件,但它属于CPO先进封装的关键上游材料体系。三十三、第七层:PCB / CCL
到了PCB这一层,CPO又与整个AI服务器产业链发生连接。
CCL(Copper Clad Laminate,覆铜板)由:
电子布
树脂
铜箔
构成。
而高速CPO交换机仍然需要:
高速、低损耗PCB。
因此:
电子布
树脂
铜箔
↓
高速CCL
↓
高多层PCB
↓
CPO交换机
三十四、为什么CPO仍然需要高速PCB?因为:
CPO并没有消灭所有电连接。
它只是把最关键的高速电转换位置前移。
交换机仍然需要:
电源
控制信号
管理信号
高速I/O
芯片之间的电连接
因此PCB仍然是整个系统的基础。
三十五、CPO对PCB提出什么新要求?核心包括:
低插入损耗
低介电损耗
低介电常数
低铜箔粗糙度
高层数
高密度布线
低串扰
高可靠性
所以会进一步推动:
M7
M8
M9
等高速CCL材料体系。
三十六、铜箔也因此发生变化高速信号要求:
更低的铜箔表面粗糙度。
因为高频信号存在趋肤效应。
所以铜箔开始从:
“导电材料”
变成:
高速信号材料。
因此:
HVLP铜箔
VLP铜箔
的重要性持续提升。
三十七、电子布与树脂同样如此。
高速CCL需要:
低Dk
低Df
低CTE
高稳定性
因此:
电子布升级:
Low-Dk玻纤
Low-CTE玻纤
等。
树脂升级:
低损耗树脂体系
低介电树脂体系
高耐热树脂体系
最终形成:
高速CCL。 三十八、第八层:Fiber光纤最终CPO还是要把数据送出去。
因此:
Fiber(光纤)仍然是核心基础设施。
主要包括:
Single-mode Fiber(单模光纤)
Fiber Array(光纤阵列)
Ribbon Fiber(带状光纤)
MPO/MTP连接器
等。
三十九、为什么光纤成为AI Factory的基础设施?因为光纤相比铜:
传输距离更远
损耗更低
带宽更高
电磁干扰更小
因此:
AI集群规模越大,光纤网络的重要性越高。四十、第九层:CPO交换机
现在把前面的东西全部组合起来。
一个完整CPO交换机大致可以理解成:
Switch ASIC
SerDes
Driver / TIA
Silicon Photonics
Laser
Optical Engine
Advanced Packaging
Substrate
High-speed PCB
Fiber
↓
CPO Switch 四十一、CPO交换机最终服务谁?不是普通互联网服务器。
最重要的目标之一:
AI Factory。
AI Factory本质上可以理解成:
把大量GPU/XPU、网络、存储、电力和散热组织起来,形成持续生产AI计算能力的基础设施。
所以:
GPU
↓
NIC
↓
Switch
↓
Optical Network
↓
GPU
形成高速闭环。
四十二、CPO在AI Factory中的位置可以把AI Factory理解成:
所以CPO解决的是:
AI Factory内部大量计算节点之间的数据交换问题。四十三、CPO真正的五大物理瓶颈
如果按照产棱Bottleneck Engine的思路,这条产业链不能只建立“产业链节点”。
必须建立:
Bottleneck(瓶颈)瓶颈一:电互连损耗
Switch ASIC带宽提升
↓
SerDes速率提升
↓
PCB电损耗增加
↓
信号完整性恶化
↓
电→光转换前移
↓
CPO这是CPO最底层的物理驱动。
瓶颈二:光源功耗与热Laser数量增加
↓
功耗增加
↓
热量增加
↓
温度影响光器件
↓
可靠性下降
↓
External Laser
↓
更高效Laser
↓
更低功耗光引擎
瓶颈三:光耦合损耗PIC
↓
Coupler
↓
Fiber
任何对准误差都会增加:
Optical Loss(光损耗)。
所以:
Fiber Array
Coupling
Alignment
成为关键工艺。
瓶颈四:封装热管理Switch ASIC
本身产生巨大热量。
旁边又有:
Optical Engine
↓
Laser
↓
Modulator
↓
TIA
↓
Driver
因此:
光、电、热三者开始相互影响。
于是液冷:
Cold Plate
Liquid Cooling
开始进入CPO交换系统。
瓶颈五:可靠性与可维护性传统:
光模块坏了 → 拔下来换。
CPO:
Optical Engine与ASIC高度集成。
所以维修困难。
因此必须解决:
可靠性
可测试性
可替换性
Fiber维护
Laser维护
这实际上是CPO能否大规模商业化的关键。
四十四、CPO与LPO、可插拔光模块这三者必须区分。
第一代:Pluggable Optics(可插拔光模块)
Switch ASIC
↓
PCB
↓
光模块
↓
Fiber
优点:
可更换
灵活
维护方便
第二类:LPO(Linear-drive Pluggable Optics,线性驱动可插拔光模块)
核心思路:
减少DSP等复杂信号处理环节。
目的:
降低功耗
降低延迟
第三类:CPO
Switch ASIC
↓
Optical Engine
↓
Fiber
核心思想:
把光电转换尽可能靠近交换芯片。
所以三者并不是简单:
“旧技术 → 新技术”。
而是:
电光转换的位置不断向芯片移动。四十五、CPO产业链的完整上下游
现在可以把整条链压缩成一张产棱产业地图。
第一层:AI需求
AI模型规模
↓
GPU/XPU数量
↓
AI集群规模
↓
网络流量
第二层:交换电芯片
Switch ASIC交换芯片
↓
SerDes高速接口
↓
Retimer/CDR
↓
Driver/TIA
第三层:光芯片
Silicon Photonics硅光
↓
PIC光子集成电路
↓
Modulator调制器
↓
Photodetector探测器
↓
Waveguide光波导
第四层:光源
DFB
EML
CW Laser
↓
External Laser Source
第五层:光学器件
Coupler
MUX/DEMUX
Lens
Fiber Array
第六层:光引擎
Optical Engine
↓
电光转换
第七层:先进封装
ASIC
Optical Engine
↓
Substrate
↓
ABF
↓
Advanced Packaging
第八层:高速PCB
电子布
↓
树脂
↓
铜箔
↓
CCL
↓
High-speed PCB
↓
HDI / 高多层
第九层:光纤
Fiber
↓
MPO/MTP
↓
Fiber Array
第十层:系统
CPO Switch
↓
AI Network
↓
AI Factory
四十六、真正重要的产业传导关系这条产业链不能只横向看。
必须纵向看:
AI算力增长↓
GPU数量增加
↓
GPU之间通信量增加
↓
网络带宽需求增加
↓
Switch ASIC升级
↓
SerDes升级
↓
电通道损耗增加
↓
CPO需求增加
↓
Optical Engine增加
↓
Silicon Photonics需求增加
↓
Laser需求增加
↓
Fiber Array需求增加
↓
Advanced Packaging需求增加
↓
ABF / Substrate需求增加
↓
高速PCB需求增加
↓
M8/M9 CCL需求增加
↓
HVLP铜箔需求增加
↓
低损耗树脂 / 高性能电子布需求增加
↓
最终形成:
AI Factory全产业链传导。 四十七、产棱真正需要跟踪的不是“CPO概念”如果用产棱的方法研究CPO,我认为最重要的不是建立:
“CPO概念股池”。
而是建立:
CPO产业状态变量例如:
需求变量
AI集群规模
GPU数量
交换机数量
800G渗透率
1.6T渗透率
3.2T路线
电芯片变量
Switch ASIC带宽
SerDes速率
Driver功耗
TIA性能
DSP是否取消
光芯片变量
单波长速率
调制器性能
PIC集成密度
光损耗
激光器变量
Laser功耗
波长稳定性
可靠性
ELS渗透率
封装变量
Optical Engine数量
ASIC尺寸
封装尺寸
I/O数量
基板层数
ABF层数
PCB变量
M8/M9渗透率
铜箔粗糙度
CCL损耗
PCB层数
系统变量
CPO交换机部署量
Hyperscaler采用
AI Factory网络架构
四十八、CPO真正的产业瓶颈如何演化?未来最值得关注的不是:
“CPO有没有需求。”
而是:
需求增长以后,哪一个环节首先出现供给或技术瓶颈。
例如:
第一阶段
瓶颈:
SerDes
↓
推动:
CPO
第二阶段
瓶颈:
光引擎功耗
↓
推动:
低功耗硅光
第三阶段
瓶颈:
Laser热
↓
推动:
External Laser
第四阶段
瓶颈:
光耦合
↓
推动:
Fiber Array / Coupling
第五阶段
瓶颈:
封装
↓
推动:
Advanced Packaging / ABF
第六阶段
瓶颈:
热管理
↓
推动:
Liquid Cooling
第七阶段
瓶颈:
可靠性
↓
推动:
可维护光引擎 / 可替换Laser
四十九、所以CPO本质上不是一个行业它实际上跨越:
半导体
光通信
先进封装
PCB
CCL
铜箔
电子布
树脂
光纤
液冷
交换机
AI服务器
等多个产业。
这也是为什么单独研究“CPO股票”很容易失真。
真正需要研究的是:
CPO这条技术路线到底把价值和瓶颈传导到了哪里。五十、最终建立CPO的“物理世界模型”
如果把整篇文章压缩到最核心的一张图:
与此同时,CPO旁边还有另一条材料链:
再叠加:
三条链最终汇聚:
电芯片 + 光芯片 + 材料 + 封装 + 散热 + 光纤共同构成:
AI Factory网络基础设施。 五十一、最终判断CPO最核心的产业逻辑可以浓缩成一句话:
当AI计算规模扩大到传统电互连无法经济承载的程度,光互连开始从“机箱里的一个光模块”变成“交换芯片封装体系的一部分”。
所以它的产业升级路径不是简单的:
光模块 → CPO。
而是:
高速交换芯片
↓
SerDes越来越快
↓
电互连越来越困难
↓
电光转换不断前移
↓
光芯片进入交换芯片附近
↓
光引擎与交换ASIC共同封装
↓
光、电、热、封装开始融合
↓
最终成为AI Factory基础设施。
因此,产棱真正应该研究的CPO,不应该是一条:
“激光器→光模块→CPO”
的传统产业链。
而应该是一张:
AI算力 → Switch ASIC → SerDes → 电芯片 → 光芯片 → Laser → Optical Engine → Advanced Packaging → ABF/PCB/CCL → Fiber → CPO Switch → AI Factory的完整产业传导网络。
其中每一个节点都继续向下拆成:
技术变量 → 工程变量 → 供需变量 → 产能 → 客户认证 → 量产 → 产业瓶颈 → 资产映射。