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在剛結(jié)束的SC25超高速運(yùn)算大會上，GPU大廠英偉達(dá)(Nvidia)宣布，包括Lambda和CoreWeave在內(nèi)的GPU運(yùn)算設(shè)施營運(yùn)商，以及得克薩斯州高階數(shù)據(jù)中心（TACC），將采用其Quantum-X Photonics CPO交換機(jī)。

而面對英偉達(dá)在CPO領(lǐng)域的強(qiáng)勢競爭，博通(Broadcom)也展示了其采用Tomahawk 5和Tomahawk 6的CPO交換機(jī)。雖然CPO交換技術(shù)的應(yīng)用預(yù)計(jì)將在2026年爆發(fā)，但其發(fā)展過程卻是經(jīng)歷了漫長的旅程。

什么是CPO？

CPO全稱Co-Packaged Optics（共封裝光學(xué)），是一種將光模塊（光學(xué)器件，負(fù)責(zé)光信號傳輸）與交換機(jī)芯片（電信號處理核心）共封裝在同一物理封裝內(nèi)的技術(shù)方案。

隨著數(shù)據(jù)中心、6G通信、AI算力集群對帶寬需求爆發(fā)式增長（如400G/800G/1.6T以太網(wǎng)普及），傳統(tǒng)分離式光模塊與交換機(jī)的連接方式面臨兩大瓶頸：一是信號損耗，電信號在高速線纜中傳輸時(shí)，頻率越高損耗越大，限制傳輸距離與速率；二是能耗與體積，分離式架構(gòu)需額外的接口電路、線纜，導(dǎo)致能耗高、占用空間大，無法滿足高密度部署需求。

CPO通過“芯片級集成”可解決上述問題：光模塊直接與交換機(jī)芯片的硅光接口對接，電信號傳輸路徑縮短至毫米級，大幅降低損耗、提升速率，同時(shí)減少能耗和物理體積，是支撐下一代超算、AI數(shù)據(jù)中心、6G核心網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

向CPO轉(zhuǎn)變的核心因素

根據(jù)外媒報(bào)道，推動向CPO轉(zhuǎn)變的核心因素可以用一句話概括，那就是“速度與電力（speed and power）”。AI網(wǎng)絡(luò)需要極高的傳輸速度，目前已達(dá)800Gbps，而英偉達(dá)已經(jīng)規(guī)劃通過其下一代ConnectX-9 NICs邁向1.6Tbps的傳輸速度。然而，在如此高的速度下，直接連接銅纜傳輸距離僅能達(dá)到一米或兩米，并通常需要昂貴的重定時(shí)器（retimers）。若要連接數(shù)萬甚至數(shù)十萬個(gè)GPU，可能需要數(shù)十萬個(gè)高功耗的可插拔收發(fā)器（pluggable transceivers）。單個(gè)收發(fā)器的功耗取決于傳輸速度，通常在9到15瓦之間。但在AI后端網(wǎng)絡(luò)中使用的大型無阻塞網(wǎng)絡(luò)中，總功耗迅速累積成巨大的負(fù)擔(dān)。

CPO技術(shù)的出現(xiàn)，能夠大幅降低能耗。英偉達(dá)估計(jì)其Photonics交換機(jī)的能源效率提高了多達(dá)3.5倍。而博通的數(shù)據(jù)則顯示，該技術(shù)可將光學(xué)組件的功耗降低65%。對于一個(gè)擁有128,000個(gè)GPU的計(jì)算集群來說，僅轉(zhuǎn)換到CPO交換機(jī)，就可以將可插拔收發(fā)器的數(shù)量從近50萬個(gè)減少到約128,000個(gè)。

CPO面臨的可靠性瓶頸

如前所述，共封裝光學(xué)技術(shù)就是將傳統(tǒng)上位于可插拔收發(fā)器中的光學(xué)組件，轉(zhuǎn)移至設(shè)備內(nèi)部。透過一系列光子芯片（photonic chiplets），與交換機(jī)的ASIC一同封裝。光纖對不再連接到QSFP和可插拔模塊上，而是直接連接到交換機(jī)的前面板。而過去，CPO采用的最大障礙之一是可靠性，以及故障時(shí)可能帶來的爆發(fā)半徑。也就是在傳統(tǒng)交換機(jī)中，一個(gè)光學(xué)可插拔模塊故障只會損失一個(gè)界面。但對于CPO，如果一個(gè)光子芯片故障，可能導(dǎo)致8個(gè)、16個(gè)甚至32個(gè)或更多接口的丟失。

為了解決這一問題，包括博通和英偉達(dá)在內(nèi)的大多數(shù)CPO供貨商選擇使用外部激光模塊。激光是光學(xué)收發(fā)器中最容易發(fā)生故障的組件之一，將其保持在較大的可插拔形式中，不僅方便用戶維修，還能在發(fā)生故障時(shí)，透過增強(qiáng)其他激光的輸出功率來進(jìn)行補(bǔ)償。

根據(jù)博通和Meta的早期測試顯示，CPO技術(shù)透過消除光學(xué)組件與交換機(jī)ASIC之間的電氣接口數(shù)量，不僅提供了更好的延遲，而且可靠性也顯著提高。上個(gè)月，Meta透露，他們已在其數(shù)據(jù)中心部署了代號為Bailly的博通51.2Tbps共封裝光學(xué)交換機(jī)，并記錄了在400Gbps等效傳輸速度下，累積一百萬設(shè)備小時(shí)的無鏈路抖動運(yùn)行記錄。英偉達(dá)也聲稱，其光子網(wǎng)平臺的彈性提高了10倍，允許訓(xùn)練工作負(fù)載運(yùn)行時(shí)間延長五倍而不會中斷。

英偉達(dá)與博通的CPO技術(shù)博弈

當(dāng)前，英偉達(dá)的Quantum-X Photonics平臺專注于InfiniBand，采用全液冷設(shè)計(jì)，配備144個(gè)800Gbps InfiniBand接口，總帶寬達(dá)到115.2Tbps。這些交換機(jī)即將部署在TACC、Lambda和CoreWeave的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施中。對于偏好以太網(wǎng)的客戶，英偉達(dá)的Spectrum-X Photonics交換機(jī)將于2026年推出。它們將提供多種配置，以最大化基數(shù)為目標(biāo)的型號，擁有512或2,048個(gè)200Gbps界面。至于那些想要追求最大性能的客戶，英偉達(dá)則提供128或512個(gè)800Gbps接口的選項(xiàng)。

競爭對手博通同樣展示了在CPO領(lǐng)域的實(shí)力。Micas Networks已經(jīng)開始出貨采用博通較舊的Tomahawk 5 ASICs和Bailly CPO技術(shù)的51.2Tbps CPO交換機(jī)。博通還展示了其最新一代Davisson CPO平臺，該平臺采用102.4Tbps Tomahawk 6交換機(jī)ASIC，可支持多達(dá)512個(gè)200Gbps接口。

雖然英偉達(dá)目前的光學(xué)重點(diǎn)仍集中在CPO交換機(jī)上，但博通和其他公司正計(jì)劃很快將共封裝光學(xué)技術(shù)導(dǎo)入AI芯片本身。2024年，博通在Hot Chips大會上詳細(xì)介紹了一款針對大型擴(kuò)展計(jì)算領(lǐng)域的6.4Tbps光學(xué)引擎。

其他正在將光學(xué)I/O導(dǎo)入加速器的公司包括Celestial AI、Ayar Labs和Lightmatter。而在SC25大會上，Ayar Labs也展示了與世芯(Alchip)合作開發(fā)的參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使用UCIe-S和UCIe-A互連，將8個(gè)TeraPHY芯片整合到單一封裝中，最終將為芯片間連接提供高達(dá)200Tbps的雙向帶寬。

Lightmatter則從兩個(gè)方向著手研發(fā)光學(xué)I/O。首先是一個(gè)CPO芯片，該公司聲稱可提供高達(dá)32Tbps（使用56Gbps NRZ）或64Tbps（使用112Gbps PAM4）的帶寬。此外，Lightmatter開發(fā)了一種名為Passage M1000的硅光子中介層（silicon photonic interposer），目的在利用光子互連技術(shù)將多個(gè)芯片鏈合在一起，用于芯片對芯片和封裝對封裝的通信。預(yù)計(jì)這些先進(jìn)的技術(shù)，最終可能會完全消除對可插拔光學(xué)組件的需求，并為更高效、包含數(shù)千個(gè)加速器協(xié)同運(yùn)作的擴(kuò)展計(jì)算領(lǐng)域開創(chuàng)發(fā)展性。

結(jié)語

英偉達(dá)與博通青睞CPO，本質(zhì)是瞄準(zhǔn)AI與超算時(shí)代“高速率、低功耗、高密度”的核心需求。CPO通過光電共封裝破解傳統(tǒng)架構(gòu)的傳輸與能耗瓶頸，更在可靠性上實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵突破，成為2026年有望爆發(fā)的核心技術(shù)。雙雄的布局不僅推動CPO在交換機(jī)領(lǐng)域落地，更加速其向芯片級滲透，而行業(yè)競爭與技術(shù)迭代將共同推動光電子集成革命，為下一代算力基礎(chǔ)設(shè)施筑牢根基。