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我（指代本文作者Geoff Tate，下同）在洛杉磯參加了為期數(shù)天的2026年光纖通信大會（OFC）?，F(xiàn)場人山人海，氣氛熱烈。許多老與會者都注意到，短短幾年內(nèi)，電信領域的人工智能已經(jīng)迅速向數(shù)據(jù)中心領域轉(zhuǎn)移。

英偉達GTC 2026大會與GTC大會同期在圣何塞舉行。OFC和GTC緊密相連，因為數(shù)據(jù)中心人工智能需要光互連來維持計算資源的供應。

光互連技術通過跨洋和跨洲的高帶寬光纖連接，使互聯(lián)網(wǎng)得以實現(xiàn)。此后，光互連技術已取代光纖，成為數(shù)據(jù)中心橫向擴展鏈路的主要方式。所有架空機架上亮黃色的線纜都是光纖。

我們即將迎來更多變革，未來五年內(nèi)，數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有高帶寬數(shù)據(jù)互連都將實現(xiàn)光纖化：

• 共封裝光器件 (CPO) 將取代可插拔收發(fā)器以實現(xiàn)橫向擴展；

• CPO 將使機架內(nèi)的所有鏈路從銅纜遷移到光纖，以實現(xiàn)規(guī)?；瘮U展；

• 光路開關 (OCS) 將補充甚至可能減少硅開關在橫向、縱向和橫向擴展互連中的應用，從而在更低的功耗下提高可靠性和性能。

• 激光器是所有光互連的核心。

數(shù)據(jù)中心人工智能需求持續(xù)呈指數(shù)級增長

推理是人工智能發(fā)展的驅(qū)動力。ChatGPT 開啟了這場革命。人工智能正在不斷演進，變得越來越有用，計算需求也呈指數(shù)級增長。Anthropologie 和 OpenAI 的年收入都達到了約 250 億美元，而它們在短短幾年內(nèi)就從零增長到如今的規(guī)模。大多數(shù)公司仍處于人工智能學習曲線的早期階段，隨著它們不斷提升自身能力，增長速度將會加快。

在3月份的GTC 2026大會上，英偉達CEO黃仁勛透露，推理需求正呈指數(shù)級增長。去年，英偉達的AI計算訂單積壓額為5億美元。如今，這一數(shù)字已高達1萬億美元。與此同時，Anthropic和OpenAI的年營收均已達到250億美元。而占英偉達需求60%的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運營商正在推動資本支出增長。（這些運營商也在自主研發(fā)芯片。）

隨著人工智能從 ChatGPT（一次性人工智能）發(fā)展到深度推理再到智能體人工智能，每次查詢處理的詞元數(shù)量已經(jīng)增長了幾個數(shù)量級。由于用戶缺乏耐心，響應速度也至關重要。

上圖 3 所示的帕累托曲線有兩個軸：

• Y 軸表示每兆瓦 (MW) 每秒的令牌吞吐量。

• X 軸表示每位用戶每秒的交互令牌數(shù) (TPS)。

如果人工智能的需求主要是批量處理，那么優(yōu)先級應該是以較低的每用戶每秒吞吐量 (TPS) 為代價實現(xiàn)最大吞吐量。但運行代理工作負載的用戶需要快速響應，因此高每用戶每秒吞吐量才是關鍵。

全新的 Rubin 架構在所有應用場景下都帶來了顯著的性能提升。對于最高 TPS/用戶需求，Rubin 與 Groq LPX 的集成可帶來數(shù)量級的提升。超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心受限于電力，因此在相同兆瓦功耗下獲得 2 倍到 35 倍的吞吐量提升意義重大，這也是他們不斷增加資本支出以最高效地滿足 AI 需求的原因。

在2025年的GTC大會上，英偉達發(fā)布了采用CPO技術的擴展型交換機。在2026年的GTC大會上，黃仁勛宣布CPO將于2028年推出，屆時將推出Feynman NVLink 8 CPO交換機用于擴展型連接。不過他也表示，擴展型連接中仍會使用銅纜?；蛟S會為客戶提供可選方案，或者對于規(guī)模更大的集群，機架內(nèi)將采用銅纜連接，機架間則采用光纖連接。隨著CPO技術的日益普及，其可靠性和可制造性方面的擔憂將得到解決。隨著帶寬的不斷提升，CPO技術將在未來幾年內(nèi)取代所有擴展型連接。黃仁勛還談到CPO技術時表示：“我們需要更大的容量?！保ㄓミ_的CPO技術基于臺積電的新工藝制造。）

在2026年OFC展會上，英偉達副總裁Alexis Bjornlin展示了一款GB Blackwell NVL576原型機。從中可以看出，機架內(nèi)部的連接仍然采用銅纜，但機架之間的連接則改為光纖（黃色光纖線纜）。這或許是大型Rubin和Feynman擴展艙的架構。摩根士丹利近期評論稱，英偉達“很可能推出Rubin Ultra NVL144的CPO版本”。

英偉達的 Bjornlin 展示了臺積電COUPE（緊湊型通用光子引擎）如何用于英偉達橫向擴展光子交換機中的 CPO，以及前面板可插拔激光器。

光學技術如何從長途傳輸過渡到機架級

Coherent 公司是光學市場的主要長期參與者之一。Sheridan Eng 是該公司的首席技術官。她在OFC上的主題演講概述了光學技術的發(fā)展歷程。

隨著帶寬和可靠性的提高，以及尺寸、功耗和成本的下降，光通信技術已經(jīng)從遠距離通信轉(zhuǎn)向機架級通信。

Sheridan Eng 解釋說，可插拔收發(fā)器在過去二十年中一直是數(shù)據(jù)中心橫向擴展的主力軍，數(shù)據(jù)速率穩(wěn)步提高（頭頂?shù)狞S色電纜是光纖）。

CPO 的發(fā)展基于技術的進步，以及對更高帶寬、更低功耗、更低成本和更小尺寸的需求，從而實現(xiàn)對 GPU 的光學器件的支持。

目前為止，采用CPO技術的兩大廠商是英偉達和博通。兩家公司都已公開表示，他們使用的是臺積電COUPE技術，這是一種硅光子CPO解決方案。

Sheridan Eng 解釋說，還有其他 CPO 實現(xiàn)方案可供選擇，這些方案可能對其他應用有利：GaAs VCSEL 和 MicroLED。

在Scale up中，CPO 將取代可插拔組件

在Scale out中，CPO 將取代銅纜

在2026年光纖通信大會（OFC 2026）上，Meta公司分享了關于橫向擴展交換機的最新、全面的可靠性數(shù)據(jù)，對比了可插拔光收發(fā)器和CPO光收發(fā)器。他們得出結(jié)論：CPO光收發(fā)器（至少在他們評估的型號中）比可插拔光收發(fā)器更可靠。CPO是一種比可插拔光收發(fā)器更簡單、機械結(jié)構更緊湊的半導體產(chǎn)品。此外，CPO還能減小尺寸和功耗，這些都是顯著的優(yōu)勢。

一旦CPO的可靠性得到驗證，它將在未來幾年內(nèi)廣泛應用，并在橫向擴展網(wǎng)絡中取代所有可插拔收發(fā)器。在縱向擴展網(wǎng)絡中，銅纜在高頻段的可靠性問題日益突出。隨著CPO可靠性被證明優(yōu)于銅纜，網(wǎng)絡將逐漸轉(zhuǎn)向CPO。

在GTC大會上，英偉達展示了CPO技術將于2027/28年引入，用于縱向擴展互連，或許會與銅纜并行使用，也可能最初用于機架間連接。隨著CPO可靠性數(shù)據(jù)的積累，向機架縱向擴展的CPO過渡也將加速。正如英偉達在OFC 2026的論文中所述，“系統(tǒng)的大部分帶寬都集中在縱向擴展層”。

眾多廠商都在推出CPO技術。博通和英偉達已將CPO技術應用于橫向擴展交換機的初始生產(chǎn)階段，并計劃將其用于縱向擴展。其他廠商包括Ayar Labs、英特爾光子學、Marvell（已收購Celestial）和Lightmatter。

Ayar Labs 與臺灣的 Wiwynn 合作，在 3 月份的 OFC 展會上展示了一款全 CPO 擴展機架系統(tǒng)。

如圖圖所示（見下圖），計算托架的特寫顯示，銅線將不再用于互連，而是用于散熱。所有高帶寬互連都將采用黃色單模光纖電纜。計算處理器位于中間。兩個配備多個光引擎的 AI 加速器位于后方。

托盤前部插有可插拔激光器，用于提供數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)。這些激光器可插拔，以便在發(fā)生故障時快速更換，并且配備了備用激光器，以確保在故障修復期間的持續(xù)運行。

交換機托架位于機架的頂部插槽中（如上圖所示）。

在OFC展會上，英偉達更詳細地介紹了其CPO的工作原理。它基于臺積電COUPE平臺。

光子集成電路 (PIC) 采用 65nm SOI SiPh 工藝制造。光信號通過該芯片傳輸。電光集成電路 (EIC) 采用 7nm FF CMOS 工藝制造。EIC 與 PIC 鍵合，提供電光接口。它控制環(huán)形振蕩器的 SiPh 加熱器并讀取光電探測器。EIC 的尺寸小于 PIC，因此有足夠的空間容納從光引擎 3D 堆疊頂部到 PIC 上光柵耦合器的光路。在 PIC 底部添加帶有通孔的銅柱：這些銅柱連接到 AI 加速器或開關的襯底。

臺積電 COUPE 芯片從頂部（如圖所示，略微傾斜）引入光線，光線經(jīng)透鏡后通過 PIC 上的光柵耦合器。背面設有金屬反射器以減少信號損耗。英偉達的數(shù)據(jù)顯示，在其傳輸波段（約 1300 至 1320 nm）內(nèi)，損耗僅為 1 dB。這是針對用于引入單偏振激光的一維光柵耦合器而言的。如果使用二維光柵耦合器引入數(shù)據(jù)，由于其處理的是未知偏振光（在單模光纖中偏振方向會任意旋轉(zhuǎn)），因此二維光柵耦合器的損耗會更大。COUPE 3D 芯片的電氣性能非常出色。

PIC+EIC 占用約 65mm2 的面積。FAU（光纖陣列單元）或光纖連接器占用約 PIC 的 40% 的面積。光纖束分叉為用于發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的 MPO-16 連接器和用于激光光纖的 MPO-12 連接器。

英偉達展示了其集成在中介層上的CPO光學引擎（OE）。在初期生產(chǎn)階段，OE位于有機基板上，或者采用NPO（近封裝光學器件）配置，位于封裝外部，兩者之間僅通過短銅線連接。OE越靠近中介層，功耗越低，性能越高，但如果出現(xiàn)可靠性問題，整個中介層都將失效。NPO可以縮小可靠性問題的影響范圍，但功耗和性能方面有所欠缺。

在OFC大會上，Nvidia、Intel、Lightmatter等公司就DWDM（密集波分復用）作為下一步發(fā)展方向進行了多次演講。Ayar Labs在上屆OFC大會上也展示了這項技術。OCI（開放計算互連）MSA也對此進行了探討。所有廠商都將使用MRM（微環(huán)調(diào)制器），它能夠?qū)崿F(xiàn)光子器件的微型化，使其能夠安裝在CPO（光子器件封裝）有限的空間內(nèi)。

初始CPO部署可能從單波長或少數(shù)波長開始。DWDM將單根光纖上的波長數(shù)量增加到2、4、8和16個。并且可能在反向（雙向）上再增加2、4、8和16個波長。增加波長會使激光模塊更加復雜，增加所需的MRM數(shù)量，需要更寬帶寬的二維光柵耦合器傳輸?shù)鹊?，因此，行業(yè)可能會逐步從單波長/少數(shù)波長過渡到多波長。DWDM的優(yōu)勢在于，一旦所有組件能夠大規(guī)模協(xié)同工作，就能以更低的功率實現(xiàn)更高的帶寬。

光路交換技術正逐步滲透到數(shù)據(jù)中心交換的各個層面

谷歌是光路交換（OCS）技術的先驅(qū)。它自主研發(fā)了OCS，并將其部署在所有數(shù)據(jù)中心交換層級的頂端，以取代傳統(tǒng)的電子交換機，從而實現(xiàn)更低的延遲、降低40%的功耗并減少資本支出。OCS支持動態(tài)可重構網(wǎng)絡，能夠快速應對故障并優(yōu)化網(wǎng)絡以適應不斷變化的工作負載。

谷歌已開始將其 OCS 需求外包給 Lumentum 和 Coherent，這兩家公司幾十年前就為電信應用開發(fā)了 OCS。短短幾個季度內(nèi)，Lumentum 和 Coherent 的 OCS 潛在收入就從 1 億美元飆升至 4 億美元。最近，Lumentum 又宣布與一家客戶達成了一項價值 10 億美元的交易。OCS 炙手可熱。

據(jù) CignalAI 稱，谷歌早期主導了整個潛在市場規(guī)模，但其他超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運營商也開始加入，這將使?jié)撛谑袌鲆?guī)模超過 30 億美元。隨著應用數(shù)量的增加和 OCS 規(guī)范的改進，潛在市場規(guī)模未來可能會更大。

谷歌采用了一種獨特的縱向擴展架構。每個 TPU 都配備 6 條高帶寬鏈路（銅纜），這些鏈路構成一個包含 64 個 TPU 的 4x4x4 超立方體。該架構沒有交換機，交換功能集成在 TPU 內(nèi)部。然后，所有機架通過光纖互連連接到 OCS 機架，從而創(chuàng)建一個更大的集群，最多可容納 9,216 個 TPU。

由于 pod 的規(guī)模如此之大，橫向擴展網(wǎng)絡的相對規(guī)模會縮小，因為絕大多數(shù)流量現(xiàn)在都在 pod 內(nèi)部。

Lumentum 和 Coherent 是 Google 轉(zhuǎn)向外部 OCS 供應以及其他超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運營商日益增長的興趣的直接受益者。

Lumentum 的解決方案與 Google 的類似，都采用了 MEMS（微機電系統(tǒng)）鏡陣列。這種方法的優(yōu)勢在于插入損耗 (IL) 低于 1.5 dB，并且在 O 波段和 C 波段實現(xiàn)了超寬帶傳輸。O 波段正是 CPO 所采用的波段。超寬帶意味著 O 波段內(nèi)的所有頻率都能在插入損耗規(guī)格范圍內(nèi)傳輸，從而支持大量的波長。Lumentum 方案的缺點是體積相對較大，難以縮小尺寸，并且需要許多精密機械步驟，這會影響成本和可靠性。Coherent 則采用了不同的方案，使用液晶，同樣也涉及鏡面和體積效應。

一位英偉達研究員在OFC大會上談到了OCS在未來五年內(nèi)如何在數(shù)據(jù)中心應用——他強調(diào)這只是他個人的觀點，并非公司路線圖。他認為OCS將在數(shù)據(jù)中心交換層級結(jié)構的各個層面發(fā)揮作用。

與谷歌一樣，英偉達也認為 OCS 在橫向擴展中可以提高網(wǎng)絡故障的恢復能力，允許重新配置網(wǎng)絡以適應新任務，并通過替換 1 或 2 層電氣交換機（及其功耗和延遲）來扁平化網(wǎng)絡。

NVIDIA 認為 OCS 能夠使大規(guī)模擴展部署更加靈活高效。

OCS要在數(shù)據(jù)中心快速普及，需要滿足以下幾個條件：

• 由于鏈路預算緊張，OCS 不需要或只需要極低的損耗（放大？）。

• 提高帶寬密度需要每個交換機機架配備數(shù)千個 OCS 交換機端口。

• 采用更少、模塊化、可更換的組件的OCS系統(tǒng)，以最大限度地減少爆炸半徑

• 降低OCS成本：減少組件，提高集成度

現(xiàn)有的體積式機械光纜存儲解決方案不太可能滿足英偉達研究人員的需求。另一方面，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運營商更傾向于選擇成熟的供應商，除非初創(chuàng)公司開發(fā)的光纜存儲解決方案是某些應用的唯一選擇，否則他們通常會從這些供應商處采購。

硅光子技術有望滿足英偉達提出的嚴苛要求。在硅光子OCS交換機中，所有輸入光纖都接入光子芯片，由芯片進行交換并將信號輸出到所有輸出光纖。

該領域共有三家初創(chuàng)公司：iPronics（西班牙瓦倫西亞）、n-eye（美國加州圣克拉拉）和Salience（英國牛津）。每家公司都擁有實力雄厚的團隊和差異化的技術方案，如果能夠有效執(zhí)行，便可提供卓越的OCS解決方案。

Lumentum 在 OFC 上發(fā)表了其對各種 OCS 技術的看法。

這里提到的機器人 OCS 是一種“拾取放置”機器人手臂，可以插拔機架中的收發(fā)器電纜，但對于 Google 類型的 OCS 市場來說速度太慢了。

表格中的速度指的是電路切換速度。重新布線部分或全部光路需要多長時間？英偉達表示，在未來五年內(nèi)，切換速度并非關鍵指標，但從長遠來看，它可能會變得更加重要。固態(tài)（波導/SiP）解決方案的切換速度遠超現(xiàn)有供應商。

n-Eye 的數(shù)據(jù)顯示，單個芯片在約 1 微秒內(nèi)即可完成一個電路的切換。這就是芯片級的切換速度。由于超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運營商購買的是 OCS 設備，因此切換時間還需要考慮控制電路的時間——從向 OCS 處理器發(fā)送命令到完成處理，再到控制電路的激活和 Si-Pho 切換所需的時間。

與iPronics和Salience不同，n-Eye的技術方案采用了MEMS技術。其硅光子器件包含一個交叉波導陣列。激活后，波導的輸出層被推至與輸入層近乎接觸的位置，從而使光以極低的損耗從輸入層流向輸出層。CMOS芯片提供控制信號來激活MEMS開關。由于損耗極低，他們認為無需放大（盡管Nvidia表示損耗必須為零，即使n-Eye的信號損耗已經(jīng)非常低，也仍然需要放大）。

n-Eye在OFC上并未展示產(chǎn)品。結(jié)果基于原型芯片，產(chǎn)品芯片仍在研發(fā)中。

iPronics 已向客戶售出數(shù)十臺 32×32 OCS 產(chǎn)品交換機，主要客戶為超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和電信基礎設施巨頭。一位康奈爾大學教授展示了一些基于 iPronics 32×32 OCS 交換機的技術成果。

iPronics（以及 Salience）采用半導體光放大器 (SOA) 進行放大。iPronics 已證明其產(chǎn)品在可插拔收發(fā)器和 CPO 所用的 O 波段波長范圍內(nèi)具有出色的寬帶性能。這意味著它們有可能與未來最先進的、最大波長的 DWDM 實現(xiàn)方案兼容：需要通過廣泛的測試來驗證 SOA 在 O 波段的線性度，以確保不會出現(xiàn)因 SOA 非線性而導致的波長混疊。

iPronics演示了一臺可運行的32×32交換機。iPronics還展示了其產(chǎn)品路線圖，該路線圖計劃每年將OCS密度翻一番。

與 n-Eye 一樣，iPronics 也采用了控制電子器件（FPGA 向 ASIC 過渡），該器件在軟件控制下控制光子開關的運行。

iPronics 展示了他們正在開發(fā)一種模塊化 OCS，其外形非常緊湊，可以在 4U 機箱中實現(xiàn)數(shù)千個交換機端口（還記得 Nvidia 在第 26 張幻燈片中提出的每個機架數(shù)千個交換機端口的要求嗎？）。

Salience Labs展示了其32×32 OCS交換機（展位上沒有演示）。Salience的設計理念似乎更接近iPronics，而非n-Eye。

前面板有 32 個輸入端口和 32 個輸出端口。白色線纜頂部用高密度連接器捆扎成束，連接到紅色矩形框內(nèi)的光子開關。輸出信號被路由到綠色矩形框內(nèi)的半導體光放大器 (SOA)，然后再返回到前面板的輸出端口。散熱器下方有一個處理器，用于控制和與數(shù)據(jù)中心其他部分通信。

OFC 2026 展示了琳瑯滿目的 OCS 產(chǎn)品選擇，所有廠商都制定了雄心勃勃的發(fā)展路線圖。各廠商有望在最能發(fā)揮自身優(yōu)勢的不同細分市場中脫穎而出。

CMOS 高管需要了解光學以及如何將其與光學器件集成。

光通信正在逐步取代數(shù)據(jù)中心的所有高帶寬互連。GPU/XPU、交換機和其他設備將直接與光引擎耦合。光通信系統(tǒng)（OCS）將補充并部分取代現(xiàn)有的硅交換架構。光通信將改變數(shù)據(jù)中心架構以及數(shù)據(jù)中心中CMOS芯片的架構。成功的CMOS芯片制造商將學習如何與光通信協(xié)同工作，并最大限度地提高其利用效率。

（來源：編譯自semiengineering）

*免責聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個人觀點，半導體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業(yè)觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導體行業(yè)觀察。

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