一、數據中心光互連的技術分水嶺

過去20年，數據中心光互連主要依賴可插拔光模塊（Pluggable Optical Module）——光模塊插入交換機前面板，可熱插拔、靈活替換。這一架構簡單直觀，至今仍是市場主流。

然而，隨著數據中心帶寬需求每年增長30%以上、AI大模型訓練需要千卡甚至萬卡互聯，可插拔光模塊的功耗、延遲和密度瓶頸日益凸顯。正是在這一背景下，共封裝光學（Co-Packaged Optics, CPO）應運而生，被視為光互連技術從分立時代進入集成時代的分水嶺。

圖1：可插拔光模塊vs CPO結構對比

二、可插拔光模塊：20年主流方案的得與失

2.1什么是可插拔光模塊？

可插拔光模塊將光發射器、光接收器、驅動電路、CDR（時鐘數據恢復）等全部封裝在一個獨立模塊中，通過標準化的QSFP-DD、OSFP等接口插入交換機前面板。交換機芯片（Switch ASIC）通過PCB上的SerDes（串行器/解串器）電接口連接光模塊，電信號在PCB上傳輸10-20厘米后進入光模塊完成光電轉換。

2.2可插拔方案的優勢

靈活性高：可熱插拔，維護和升級不影響系統運行

供應鏈成熟：多廠商兼容，采購渠道廣泛

良率高：模塊獨立測試，單件良率接近100%

散熱簡單：光模塊獨立散熱，交換機芯片散熱單獨設計

2.3可插拔方案的瓶頸

功耗墻：每個100G/400G可插拔光模塊功耗3-5W，一臺51.2T交換機（64端口800G）僅光模塊功耗就達200-320W，占整機功耗30%以上

延遲墻：SerDes電信號在PCB上傳輸10-20厘米，延遲10-20納秒，而CPO方案中封裝內光學互連延遲小于1納秒，相差10-20倍

密度墻：前面板物理空間限制了端口密度，很難在單機柜內實現超過128個高速光端口

成本墻：分立封裝、精密對準、獨立散熱等工藝成本難以繼續降低

三、共封裝光學CPO：封裝即系統

3.1什么是CPO？

CPO將光引擎（Optical Engine）與交換機芯片（Switch ASIC）共封裝在同一個基板（Substrate）上，兩者之間的互連從PCB上的SerDes電信號，改為封裝內的光學I/O（Optical I/O）。光引擎通常基于硅光子（Silicon Photonics）或InP技術，包含調制器、探測器、波導、CWDM/DWDM復用器等光器件，全部集成在同一芯片或芯片組上。

3.2 CPO的工作原理

交換機芯片通過高速電接口（如56Gbaud PAM4）與光引擎交換數據；光引擎在封裝內完成電-光轉換，光信號通過光纖陣列（Fiber Array）直接輸出到外部光纖。整個SerDes電互連長度從PCB上的10-20厘米縮短到封裝內的毫米級，功耗和延遲均大幅降低，同時光端口密度大幅提升。

3.3 CPO的核心優勢

功耗降低70%+：SerDes電互連縮短100倍，驅動功耗大幅下降；硅光子技術的本征低功耗特性進一步加持，單端口功耗可降至1W以下

延遲降低10-20倍：封裝內光學I/O延遲小于1納秒，而可插拔方案中PCB SerDes延遲10-20納秒

端口密度提升2-4倍：光引擎與芯片共封裝，不占用前面板空間，可在同等體積內實現更高-端口密度

成本優勢（規模化后）：CPO利用CMOS兼容的硅光子工藝，隨著規模化和良率提升，單端口成本有望顯著低于可插拔方案

圖2：CPO vs可插拔光模塊性能全-面對比

四、CPO面臨的技術挑戰

盡管CPO優勢顯著，但其大規模商用仍面臨若干關鍵挑戰：

熱管理挑戰：CPO將光引擎和交換機芯片封裝在一起，兩者的散熱需求都很大，且光器件（特別是III-V激光器）對溫度更敏感，需要精密的熱協同設計，液冷成為CPO的標配

維護性挑戰：可插拔光模塊支持熱插拔，出現故障時可單獨更換；CPO一旦出現故障需要更換整個CPO封裝模塊，維護成本高，需要更高的可靠性設計

初期成本挑戰：CPO是全-新技術，初期部署成本高于成熟的可插拔方案，需要達到一定規模才能體現成本優勢

供應鏈挑戰：CPO需要光模塊廠商、芯片封裝廠、交換機系統商的深度協同，目前產業鏈仍在成熟過程中

良率挑戰：可插拔方案中交換機芯片和光模塊獨立測試，良率獨立計算；CPO一旦封裝完成，任何一個芯片出問題都需要整體更換，良率挑戰更大

五、CPO的核心應用場景

CPO并非要完-全取代可插拔光模塊，而是要替代那些對功耗、延遲、密度要求極-高的特定場景：

5.1 AI/HPC集群（最大應用場景）

AI大模型訓練需要千卡甚至萬卡高速互聯，GPU/CPU服務器間的光互連帶寬需求爆炸式增長。CPO的超低功耗（降低至整機功耗的10%以內）和超低延遲特性，正好解決AI集群中光模塊功耗占比過高（可達30-40%）和通信延遲的痛點。Nvidia在Grace-Hopper超級芯片中率-先采用CPO，Broadcom的Tomahawk 5交換芯片也同步推出CPO版本，瞄準這一市場。

5.2數據中心Spine-Leaf互聯

數據中心交換機Spine-Leaf架構中，Spine交換機之間、Leaf與Spine之間的互聯需要極-高的帶寬密度和能效。CPO的高-端口密度和低功耗優勢，使其成為51.2T/102.4T超大容量交換機的首-選互連方案。

5.3超級計算機

國家-級超級計算機通常包含萬級計算節點，節點間的高速互連對性能和能效要求極-高。CPO有望成為下一代E級超算（百億億次計算）的核心互連技術。

圖3：CPO技術演進與市場應用路線

圖4：CPO的核心應用場景

六、市場展望：2025-2030年是關鍵窗口期

CPO的規模商用正在加速。根據行業預測：

2025年：CPO與可插拔共存元年。51.2T CPO交換機（800G x 64端口）開始規模部署，主要面向AI集群和超大規模數據中心；可插拔光模塊（800G/1.6T）仍是中小規模數據中心的主流選擇

2026-2028年：CPO爬坡期。隨著硅光子CPO良率提升和成本下降，CPO在AI集群中的滲透率顯著提升；同時共封裝光學2.0（支持1.6T/3.2T端口）開始商用

2029-2030年：CPO逐步成為主流。3.2T/6.4T CPO交換機的成熟，加上液冷數據中心的普及，CPO在新建數據中心中的占比有望超過50%

2030年以后：硅光子技術全-面成熟，CPO成為數據中心光互連的標準配置，而全光交換（All-Optical Switching）開始探索

七、結論：光互連的集成革命正在發生

CPO vs可插拔光模塊，不是誰取代誰的問題，而是技術演進的不同階段。可插拔光模塊過去20年推動了數據中心的蓬勃發展，未來仍將在中小規模、靈活性要求高的場景中發揮價值。

CPO則代表了光互連從分立走向集成的技術方向。隨著AI大模型、生成式AI的爆發，數據中心對高帶寬、低功耗、低延遲光互連的需求正在加速CPO的商用進程。

從更長遠的視角看，CPO和硅光子技術的結合，將為未來數據中心、超級計算機乃至6G通信提供光進電退的底層支撐。這場從芯片到封裝的光學革命，才剛剛開始。