共封装光学（CPO）vs 可插拔光模块

一、数据中心光互连的技术分水岭

过去20年，数据中心光互连主要依赖可插拔光模块（Pluggable Optical Module）——光模块插入交换机前面板，可热插拔、灵活替换。这一架构简单直观，至今仍是市场主流。

然而，随着数据中心带宽需求每年增长30%以上、AI大模型训练需要千卡甚至万卡互联，可插拔光模块的功耗、延迟和密度瓶颈日益凸显。正是在这一背景下，共封装光学（Co-Packaged Optics, CPO）应运而生，被视为光互连技术从分立时代进入集成时代的分水岭。

图1：可插拔光模块vs CPO结构对比

二、可插拔光模块：20年主流方案的得与失

2.1什么是可插拔光模块？

可插拔光模块将光发射器、光接收器、驱动电路、CDR（时钟数据恢复）等全部封装在一个独立模块中，通过标准化的QSFP-DD、OSFP等接口插入交换机前面板。交换机芯片（Switch ASIC）通过PCB上的SerDes（串行器/解串器）电接口连接光模块，电信号在PCB上传输10-20厘米后进入光模块完成光电转换。

2.2可插拔方案的优势

灵活性高：可热插拔，维护和升级不影响系统运行

供应链成熟：多厂商兼容，采购渠道广泛

良率高：模块独立测试，单件良率接近100%

散热简单：光模块独立散热，交换机芯片散热单独设计

2.3可插拔方案的瓶颈

功耗墙：每个100G/400G可插拔光模块功耗3-5W，一台51.2T交换机（64端口800G）仅光模块功耗就达200-320W，占整机功耗30%以上

延迟墙：SerDes电信号在PCB上传输10-20厘米，延迟10-20纳秒，而CPO方案中封装内光学互连延迟小于1纳秒，相差10-20倍

密度墙：前面板物理空间限制了端口密度，很难在单机柜内实现超过128个高速光端口

成本墙：分立封装、精密对准、独立散热等工艺成本难以继续降低

三、共封装光学CPO：封装即系统

3.1什么是CPO？

CPO将光引擎（Optical Engine）与交换机芯片（Switch ASIC）共封装在同一个基板（Substrate）上，两者之间的互连从PCB上的SerDes电信号，改为封装内的光学I/O（Optical I/O）。光引擎通常基于硅光子（Silicon Photonics）或InP技术，包含调制器、探测器、波导、CWDM/DWDM复用器等光器件，全部集成在同一芯片或芯片组上。

3.2 CPO的工作原理

交换机芯片通过高速电接口（如56Gbaud PAM4）与光引擎交换数据；光引擎在封装内完成电-光转换，光信号通过光纤阵列（Fiber Array）直接输出到外部光纤。整个SerDes电互连长度从PCB上的10-20厘米缩短到封装内的毫米级，功耗和延迟均大幅降低，同时光端口密度大幅提升。

3.3 CPO的核心优势

功耗降低70%+：SerDes电互连缩短100倍，驱动功耗大幅下降；硅光子技术的本征低功耗特性进一步加持，单端口功耗可降至1W以下

延迟降低10-20倍：封装内光学I/O延迟小于1纳秒，而可插拔方案中PCB SerDes延迟10-20纳秒

端口密度提升2-4倍：光引擎与芯片共封装，不占用前面板空间，可在同等体积内实现更高-端口密度

成本优势（规模化后）：CPO利用CMOS兼容的硅光子工艺，随着规模化和良率提升，单端口成本有望显著低于可插拔方案

图2：CPO vs可插拔光模块性能全-面对比

四、CPO面临的技术挑战

尽管CPO优势显著，但其大规模商用仍面临若干关键挑战：

热管理挑战：CPO将光引擎和交换机芯片封装在一起，两者的散热需求都很大，且光器件（特别是III-V激光器）对温度更敏感，需要精密的热协同设计，液冷成为CPO的标配

维护性挑战：可插拔光模块支持热插拔，出现故障时可单独更换；CPO一旦出现故障需要更换整个CPO封装模块，维护成本高，需要更高的可靠性设计

初期成本挑战：CPO是全-新技术，初期部署成本高于成熟的可插拔方案，需要达到一定规模才能体现成本优势

供应链挑战：CPO需要光模块厂商、芯片封装厂、交换机系统商的深度协同，目前产业链仍在成熟过程中

良率挑战：可插拔方案中交换机芯片和光模块独立测试，良率独立计算；CPO一旦封装完成，任何一个芯片出问题都需要整体更换，良率挑战更大

五、CPO的核心应用场景

CPO并非要完-全取代可插拔光模块，而是要替代那些对功耗、延迟、密度要求极-高的特定场景：

5.1 AI/HPC集群（最大应用场景）

AI大模型训练需要千卡甚至万卡高速互联，GPU/CPU服务器间的光互连带宽需求爆炸式增长。CPO的超低功耗（降低至整机功耗的10%以内）和超低延迟特性，正好解决AI集群中光模块功耗占比过高（可达30-40%）和通信延迟的痛点。Nvidia在Grace-Hopper超级芯片中率-先采用CPO，Broadcom的Tomahawk 5交换芯片也同步推出CPO版本，瞄准这一市场。

5.2数据中心Spine-Leaf互联

数据中心交换机Spine-Leaf架构中，Spine交换机之间、Leaf与Spine之间的互联需要极-高的带宽密度和能效。CPO的高-端口密度和低功耗优势，使其成为51.2T/102.4T超大容量交换机的首-选互连方案。

5.3超级计算机

国家-级超级计算机通常包含万级计算节点，节点间的高速互连对性能和能效要求极-高。CPO有望成为下一代E级超算（百亿亿次计算）的核心互连技术。

图3：CPO技术演进与市场应用路线

图4：CPO的核心应用场景

六、市场展望：2025-2030年是关键窗口期

CPO的规模商用正在加速。根据行业预测：

2025年：CPO与可插拔共存元年。51.2T CPO交换机（800G x 64端口）开始规模部署，主要面向AI集群和超大规模数据中心；可插拔光模块（800G/1.6T）仍是中小规模数据中心的主流选择

2026-2028年：CPO爬坡期。随着硅光子CPO良率提升和成本下降，CPO在AI集群中的渗透率显著提升；同时共封装光学2.0（支持1.6T/3.2T端口）开始商用

2029-2030年：CPO逐步成为主流。3.2T/6.4T CPO交换机的成熟，加上液冷数据中心的普及，CPO在新建数据中心中的占比有望超过50%

2030年以后：硅光子技术全-面成熟，CPO成为数据中心光互连的标准配置，而全光交换（All-Optical Switching）开始探索

七、结论：光互连的集成革命正在发生

CPO vs可插拔光模块，不是谁取代谁的问题，而是技术演进的不同阶段。可插拔光模块过去20年推动了数据中心的蓬勃发展，未来仍将在中小规模、灵活性要求高的场景中发挥价值。

CPO则代表了光互连从分立走向集成的技术方向。随着AI大模型、生成式AI的爆发，数据中心对高带宽、低功耗、低延迟光互连的需求正在加速CPO的商用进程。

从更长远的视角看，CPO和硅光子技术的结合，将为未来数据中心、超级计算机乃至6G通信提供光进电退的底层支撑。这场从芯片到封装的光学革命，才刚刚开始。