CPO光电共封装如何破解数据中心“功耗-带宽”困局？

电子发烧友网报道（文/李弯弯）CPO（Co-Packaged Optics，光电共封装）是一种将光学器件与电子芯片直接集成在同一封装内的技术，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。随着人工智能、云计算和大数据等技术的快速发展，数据中心对网络带宽和能效的要求不断提高，CPO技术逐渐成为行业关注的焦点。

CPO光电共封装技术原理及挑战

CPO技术核心原理在于通过缩短光电器件与芯片之间的物理距离，减少信号传输损耗，提升系统性能。在传统数据中心或通信系统中，光模块与交换芯片通常通过PCB板连接，信号传输距离较长，导致功耗高、延迟大，且难以满足未来高速率的需求。

CPO的核心目标是通过将光引擎（如激光器、调制器、探测器等）与交换芯片（如ASIC）直接封装在一起，显著缩短电信号传输路径，降低功耗和延迟，提升带宽密度和系统能效。

CPO将光引擎与交换芯片集成在同一封装体内，通常采用2.5D或3D封装技术。2.5D封装：通过硅中介层（Interposer）将光引擎与芯片连接。3D封装：通过垂直互连（如TSV，硅通孔）实现更短的信号路径。在CPO中，电信号从交换芯片到光引擎的传输距离缩短至毫米级，相比传统方案的厘米级距离，信号损耗大幅降低。

光引擎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通过将光引擎与芯片集成，减少了外部光模块的复杂性和功耗。由于信号传输路径缩短，CPO可以减少对高功耗的SerDes（串行器/解串器）的依赖，进一步降低功耗。

CPO具有低功耗、低延迟、高带宽密度、小体积等优势。通过缩短信号传输路径和减少SerDes使用，CPO可显著降低功耗。例如，相比传统可插拔光模块，CPO的功耗可降低50%以上。信号传输路径的缩短大幅降低了延迟，满足AI、高性能计算等对低延迟要求苛刻的应用场景。CPO支持更高的端口密度和带宽，适用于未来数据中心和通信系统的高速率需求。集成化设计减少了系统体积，提高了空间利用率。

当然CPO技术当前也面临挑战：其一，由于光学器件对热特别敏感，而共封装结构中芯片和光学元件的集成度较高，散热空间有限，散热难度增大。CPO模块集成了大量的光电器件，在工作过程中会产生较高的热量密度，可达500W/cm²。如此高的热量密度如果得不到有效管理，将导致模块温度升高，影响器件的性能和可靠性，甚至可能引发故障。目前，液冷和微通道散热技术被认为是解决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等。

其二，封装工艺是实现CPO技术的关键环节之一，其复杂性和技术难度较高。TSV和TGV（玻璃通孔）等先进封装技术是实现光电混合集成的重要手段，但TSV的良率较低，制造成本较高，TGV的对准精度要求高，工艺复杂等，限制了CPO技术的大规模产业化应用。

CPO关键企业及技术实力

CPO涉及到的关键企业众多，涵盖了光模块、光芯片、光器件、交换机、封装设备、散热材料等多个领域，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、立讯技术、光库科技、天孚通信、锐捷网络、紫光股份等。

中际旭创，全球光模块行业龙头，专注于800G/1.6T高速光模块研发生产，产品用于数据中心和AI算力集群，800G光模块全球市占率超50%，在CPO相关光模块领域处于领先地位，深度绑定英伟达等国际巨头。

光迅科技，在CPO封装和硅光芯片领域有多年积累，产品覆盖光芯片、无源器件及模块。主要面向电信运营商和超算中心，提供定制化CPO解决方案。2024年联合思科发布全球首款1.6T硅光模块，并参与制定国际CPO标准。

新易盛，800G光模块量产能力领先，已在OFC2023期间推出相关1.6T光模块产品，是全球少数掌握1.6T光模块量产技术的企业，2024年启动CPO试产线，预计2026年规模化量产。

华工科技，国际一流光电企业，具备从芯片到模块的全产业链能力。其光模块产品覆盖400G/800G，并布局CPO封装测试产线。全球首发3.2Tb/s液冷CPO超算光引擎，能效低至5pJ/bit，功耗降低70%。

博创科技，硅光技术领先，400G量产、800G完成验证，CPO散热方案降低功耗23%，绑定Marvell开发AEC产品，是国内唯二实现商业化的企业，PLC光分路器/DWDM技术领先，布局CPO配套器件。

仕佳光子，提供CPO核心组件，如高功率CW DFB激光器、MPO连接器，适配1.6T光模块，是光芯片国产化标杆，PLC分路器全球市占率20%。

源杰科技，25G激光器芯片技术突破者，CPO上游核心芯片供应商。全球10G激光器芯片市占率第一，CW大功率激光器技术适配CPO需求。单波100G EML、50G VCSEL芯片量产，支撑800G以上光模块升级。

立讯技术，在CPO技术领域有深厚积累。自主研发的“共封装光互连技术”创新性地将光收发芯片、光电信号转换芯片与处理器集成，模块体积缩小40%。与全球头部硅光芯片厂商联合开发专用光/电芯片，优化信号完整性与功耗表现。

光库科技，800G铌酸锂调制器芯片量产，适配CPO封装，降低光模块全周期成本40%，进入英伟达、思科供应链，覆盖长距骨干网与超算中心。

天孚通信，光器件一站式解决方案商，CPO上游核心供应商。CPO系统是一个高度集成的光电通信架构，其中的关键环节包括激光器、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提供激光器、光放大器等关键无源器件，与中际旭创、博创科技等厂商深度合作。在高速光引擎封装和散热设计上具备专利优势。

锐捷网络，全球首推CPO交换机，整机功耗降23%+液冷散热成本降35%，参与制定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51.2T CPO硅光数据中心交换机，融合液冷散热和硅光技术，单芯片带宽达51.2T，功耗降低40%以上，主要服务于AI算力网络，满足低时延、高吞吐需求。

写在最后

CPO技术的工作原理是通过将光引擎和交换芯片集成在同一封装体内，实现光电信号的高效转换和低损耗传输。其核心在于缩短信号传输路径、优化功耗和热管理，从而满足未来高速率、低延迟、高带宽密度的通信需求。随着封装工艺和散热技术的进步，CPO技术有望在数据中心、高性能计算、人工智能等领域得到广泛应用。