数据中心能耗危机下的突围：全球CPO技术进展与巨头布局全透视

博通、英伟达领跑，硅光初创军团崛起，2025年共封装光学有望迎来关键转折点

导语：随着AI算力需求爆发式增长，数据中心能耗与带宽瓶颈日益凸显。传统的可插拔光模块正逼近物理极限，被视为下一代互连核心技术的“共封装光学”（CPO）正加速从实验室走向商业落地。全球科技巨头与创新企业如何布局？技术路线有何差异？市场何时迎来爆发？本期内容是基于权威分析机构LightCounting2025年关于CPO的技术分析报告。

一、 能耗压顶，CPO成为数据中心“救星”？

数据中心能耗中，服务器间互连（尤其是光模块）的功耗占比正急剧攀升。传统可插拔光模块在向800G、1.6T甚至更高速率演进时，信号转换、驱动、散热带来的功耗成本已成为不可承受之重。共封装光学（CPO）通过将光引擎与ASIC（如交换机芯片、GPU）集成在同一封装内，大幅缩短电信号传输距离，显著降低信号损耗和功耗，被业界普遍认为是突破下一代数据中心互连瓶颈的关键技术。

权威分析机构LightCounting报告指出，CPO的能效优势在200G/通道及以上速率时将变得极其显著。博通展示的数据显示，其51.2T CPO交换机（Bailly）相比DSP光模块节省1.1kW功耗，比LPO也省电0.5kW。英伟达则宣称其CPO方案相比1.6T可插拔模块可节省高达70%的功耗！到2029年，“先进CPO”的能耗目标更是低至5pJ/bit，接近当前铜缆直连（DAC）水平。

二、 生态全景：谁在主导CPO的未来？

图1 CPO产业链图谱

CPO的实现绝非一家之力，而是一个复杂且高度协作的全球生态系统：

1.核心驱动力：ASIC巨头（博通、英伟达、英特尔、AMD、Marvell）：他们是CPO的“心脏”，设计高性能交换机、GPU/XPU芯片，并主导SerDes IP开发和集成策略（收购、合作光子公司）。他们的决策直接影响CPO技术路线和采用节奏。

2.系统集成者：网络设备商（思科、Arista、Juniper）：负责将CPO ASIC集成到交换机、路由器等系统产品中，需平衡性能优势与客户对可靠性、可维护性的担忧。

3.技术基石：光学组件/模块专家：

–硅光/PIC：英特尔、Ayar Labs、Ranovus、Lightmatter、Celestial AI、Nubis等（创新主力）。

–激光器（含ELS）：Lumentum、Coherent、住友电工、古河电气等（光源保障）。

–连接器/布线：Molex、TE Connectivity、SENKO、US Conec（物理连接）。

–光引擎/封装：Eoptolink、Innolight (TeraHop)、Accelink、AOI、SPIL、ASE等（系统集成）。

4.最终裁判：云服务商/超大规模数据中心（Meta、谷歌、微软、AWS、阿里、腾讯等）：他们的实际需求和采购决策决定CPO市场成败。强大的议价能力和参与标准制定是其影响力来源。

5.制造引擎：代工/OSAT（台积电、GlobalFoundries、日月光、Amkor等）：提供先进硅光制造和复杂2.5D/3D封装能力，是量产关键。

6.规则制定者：标准机构（OIF - CPO IA, IEEE 802.3 - 以太网标准, 各MSA）：推动接口、激光器、连接器等标准化，降低行业门槛。

三、 巨头卡位：博通、英伟达的CPO路线图

•博通(Broadcom)：步步为营，液冷领跑

图2 博通CPO时间线梳理

–Bailly (Tomahawk 5 CPO)：在OFC2023上展示的基于Tomahawk5的51.2TCPO，集成6.4T光引擎，使用外部激光器（ELS），相比可插拔省电50%，客户包括字节跳动、新华三等。

图3 博通51.2T CPO

–Davisson (Tomahawk 6 CPO)：计划2026年推出（紧随TH6发布），102.4T，重大升级包括：全液冷设计、200G/光纤DR4接口（512 Tx/Rx光纤）、16个高功率可插拔ELS、密集MMC连接器。专为CPO优化的SerDes目标功耗低至8W/1.6T端口（比现有100G/通道设计提升20%）。

图4 博通第三代102.4T CPO

•英伟达(NVIDIA)：AI赋能，系统打包

图5Quantum-X PhotonicsCPO

图6Quantum-XCPO交换机系统

–Quantum-X Photonics (InfiniBand CPO)：2025年下半年推出，115T吞吐量（4个ASIC），144 MPO光缆，18个ELS笼位。

图7Spectrum-X PhotonicsCPO

–Spectrum-X Photonics (Ethernet CPO)：预计2026年下半年推出，含128x800G (102.4T) 和 512x800G (409.6T, 8U) 两款。后者CPO设计相比可插拔节省3.8kW！功耗仅9W（光引擎7W + 激光器2W）。

–核心技术：基于微环调制器（MRM）提升能效（需热稳定，液冷简化此问题）。

–突破痛点：将CPO作为完整AI系统的一部分提供，承担全部责任，解决用户对可靠性、配置的担忧。

–强大生态：台积电（COUPE技术、3D堆叠）、SPIL（芯片级封装测试）、Lumentum/住友/Coherent（激光器）、Browave/康宁/Senko/TFC（光纤连接）、Fabrinet/富士康（系统集成）。

四、 创新军团：硅光初创公司的技术破局

•Ranovus：量子点激光 + 模块化小芯片

图8RanovusCPO发展历程

–旗舰产品ODIN：结合量子点多波长激光阵列、硅光子学、高效DSP（<5pJ/位），实现高带宽密度、能效和成本优化。

–差异化：量子点激光直接集成（热稳定/波长控制优）、模块化小芯片架构（800G->3.2T灵活扩展）、垂直整合降成本。

–动态：与Cerebras获美政府4500万美元研发合同，开发下一代光互连。

•Lightmatter：3D堆叠 + 光路交换

关于Lightmatter的内容在之前的文章中有体现，Lightmatter Passage M1000 亮相 2025 年 Hot Chips——CPO有望量产

图9Lightmatter的CPO性能对比

–产品：L200/L200X 3D CPO光引擎（2026年），与Alphawave合作（EIC）。L200总IO 32Tb/s，L200X达64Tb/s。采用Passage光学中介层。

–核心技术：EIC芯片SerDes分布式布局（非仅边缘），突破“边缘I/O限制”。Passage平台支持多芯片集成和2D光路交换（芯片故障时系统仍工作）。

–演示：M1000平台展示114Tbps带宽、1024 SerDes、256光纤、光路交换。

–科研：《自然》期刊发表光子加速器研究成果《Universal photonic artificial intelligence acceleration》。

•Celestial AI：耐高温EAM + 光子结构

图10 Celestial AI展示的单通道56Gbps全E-O-E硅光芯片（4nm CMOS工艺）以及带FAU的硅光引擎

–核心技术：锗硅电吸收调制器（GeSi EAM）替代微环（MRR），卓越高温稳定性（80°C范围，无需复杂温控），1.8Tbps带宽集成在1mm²硅面积。

–应用：“光子结构”（Photonic Fabric）平台瞄准解决AI“内存墙”，支持系统分解和内存池化。

–进展：OFC展示4nm CMOS + PIC测试芯片（16x56Gbps NRZ通道），预计2025Q2起获得收入（NRE）。

•Ayar Labs：UCIe接口 + 超高集成

图11 Ayar Labs的TeraPHY光引擎

–OFC展示：TeraPHY光引擎支持UCIe接口，8Tbp/s带宽，采用双排UCIe模块和16光纤（每纤16波长x32Gbps）。

–光源：SuperNova光源（Jabil制造），64个即可驱动1Pb双向带宽。

•Nubis Communications：超高密度IO + 线性驱动

图12Nubis Communications的1.6T光引擎

Nubis Communications的研究内容在前面的文章中也有体现硅光子技术引爆AI算力革命！16通道互连芯片实现1.6Tbps超低功耗传输——破解AI集群的“数据搬运墙”难题

–核心技术：高密度光学接口（HDI/O），革命性2D光纤阵列引出架构，突破传统一维边缘限制，达246 Gbps/mm/小芯片（四排可至985 Gbps/mm）。

–优势：超高密度（1.6T全双工 in 6.9x8.5mm）、强线性驱动（容忍58dB损耗，省去重定时器）、超低功耗（3.9 pJ/位）、低误码率。

–灵活性：可支持CPO、NPO、LPO多种形态。

•Avicena：微LED并行 + 超短距

Avicena选择了与其他厂商截然不同的路线，传统的是不断提高单通道速率，而Avicena是采用μLED技术不断拓展通道数。Avicena的研究内容在之前的文章中也有体现微LED阵列实现10Gb/s超低功耗光互连，芯片通信迎来颠覆性突破

图13Avicena基于μLED的1Tb/s光引擎

图14 基于μLED的CPO

–核心技术：GaN微LED（μLED）阵列，“多慢通道”并行架构（NRZ调制），超低功耗（<1 pJ/位）和超高密度（>1 Tbps/mm），耐高温（235°C）。

–应用场景：专攻超短距（<10米），如处理器-内存互连，解决铜缆距离限制。

–挑战：传输距离受限（多模色散）、需大量并行通道和ASIC端“变速”逻辑、非标准技术。

五、 连接与封装：模块化与兼容性探索

•Samtec：展示新型Si-FLY HD插座概念，可兼容铜缆飞线（如连接OSFP-XD）或Nubis的CPO光引擎（6.4T）。这种模块化设计允许在同一ASIC封装上混合使用CPC和CPO，提高可维护性，降低采用风险。

图15 Samtec兼容CPC和CPO的连接器

结语：

2025年，CPO技术正迎来从演示、小批量走向规模商用的关键节点。博通、英伟达等巨头的产品路线图清晰落地，Ranovus、Lightmatter、Celestial AI、Nubis、Ayar Labs等硅光创新企业凭借独特技术路线（量子点、3D集成、耐高温EAM、超高密度IO、微LED并行）在细分领域破局。液冷、可插拔ELS、先进封装（如台积电COUPE）成为支撑CPO实用化的重要技术。尽管最终用户在供应商多样性、可靠性、运维方面仍有顾虑（英伟达通过系统打包策略积极应对），但在AI算力狂飙和“双碳”目标的双重压力下，CPO在超高速（200G/通道+）、高密度场景的能效和带宽优势已无可替代。随着标准逐步完善、生态持续成熟、制造成本下降，CPO有望在未来2-3年内，率先在顶级超大规模数据中心和AI集群中迎来规模化部署浪潮，重塑数据中心互连格局。

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