CPO商用化提速:Scale-out突破0到1,Scale-up有望率先大规模落地?

华尔街见闻
Apr 10

要站在光里,不要光站在那里。今日CPO概念板块中,新易盛中际旭创创历史新高,沃格光电涨停,中富电路等跟涨。

光电共封装(CPO)技术正从实验室走向大规模商用,AI算力爆发带来的功耗与带宽瓶颈,正将这一技术推至数据中心建设的核心议题。

西部证券研发中心最新发布的光模块行业深度报告,英伟达博通等头部厂商推动下,CPO商业化进程明显提速。

在Scale-up侧,由于NVLink等纵向扩展网络属于专有封闭体系,头部厂商具备垂直整合能力以推动CPO落地,商业化推进需求的迫切性更高,但供给端的良率与产能瓶颈同样更为关键。

在Scale-out侧,CPO商用突破0到1,渗透率有望逐步提升;但对功耗和成本的改善幅度相对有限(三层网络架构下总功耗仅优化2%、总成本仅优化3%),商业化节奏相对平缓。

同时,CPO交换机供应链高度碎片化,激光源、ELS模块、光电测试等各环节均涉及多家供应商;建议关注大功率CW光源、FAU等分工清晰、已率先参与CPO交换机厂商联合研发或有订单预期的环节。

CPO核心优势与现实短板

CPO(Co-packaged Optics,光电共封装)通过将光引擎与交换机ASIC芯片集成封装在同一基板上,从物理层根本上缓解了传统数据中心网络架构的瓶颈。

其核心优势体现在三个维度:

一是大幅降低功耗,较DSP光模块节能50%以上,英伟达Q3450 CPO每800G带宽功耗仅4-5W,节能幅度达73%;

二是突破铜缆限制,支持跨机架扩展,英伟达Spectrum 6800理论上可连接131,072个GPU;

三是信号完整性显著改善,电信号传输距离从15-30厘米缩短至数十毫米,MTBF(平均无故障时间)达260万小时,远超可插拔模块的50-100万小时。

长期来看,两层网络场景下,CPO方案可使集群总成本降低7%、网络成本降低46%、光模块成本降低86%。

但CPO并非没有代价。光引擎单套成本高达3.5-4万美元;高密度集成带来严峻的散热挑战,需配套液冷系统;由于光引擎与主芯片固化集成,一旦故障通常需要更换整块板卡,可维护性和灵活性较差。

此外,缺乏统一行业标准导致跨厂商兼容性差,英伟达的COUPE方案与博通的FOWLP方案之间目前尚无互操作共识。

多技术路线并行,过渡方案各有侧重

当前业界并非单押CPO一条路线,而是多种技术方案并行演进,形成从可插拔到共封装的技术光谱。

LPO(线性可插拔光模块)通过移除传统收发器中的DSP芯片、将信号处理转移至主机端ASIC,实现功耗、成本和延迟的降低,但传输距离受限,系统兼容性存在挑战。

NPO(近封装光学)定位"内置式可插拔",相较CPO具备光引擎可插拔、适配PCB板工作、不占用先进封装资源及可大规模量产等优势,在功耗和时延方面存在一定劣势,被视为CPO的重要过渡方案。

XPO(超高密度可插拔光学)则代表可插拔路线的激进演进。2026年3月,Arista正式宣布成立XPO MSA,目标形态为64通道、12.8Tbps单模块带宽,支持每模块最高400W的冷板散热能力,相对1600G-OSFP光模块实现约4倍密度提升,兼具大带宽、原生液冷和可插拔运维特性。

此外,立讯精密主推的CPC(共封装铜缆)方案通过从封装基板直接引出双同轴铜缆,在信号完整性方面具备关键优势,有望为448G SerDes部署提供可行路径;

MicroLED CPO则通过将微米级发光二极管阵列与CMOS驱动电路集成封装,以并行光发射方式实现更高密度传输,代表更远期的技术探索方向。

综合供应链成熟度和性能优势,CPO相较于NPO和可插拔方案的综合性价比优势目前仍不明显,客户认可度有待提升。后续核心观察变量在于:交换机芯片与SerDes通道的迭代情况,以及NPO规模化生产良率与CPO总成本之间的动态比较。

英伟达CPO交换机结构件全拆解

以英伟达Quantum X800-Q3450 IB CPO交换机为样本,系统拆解CPO核心结构件与制造难点。首先该交换机配置如下:

该交换机配备4颗Quantum-X800 ASIC芯片,采用台积电4nm工艺,单芯片带宽28.8T,总带宽达115.2T,拥有1070亿个晶体管。

光学侧搭载72个1.6T光引擎,每三枚为一组可拆卸光学子组件,每枚光引擎对应8个单通道200Gbit/s微环调制器(MRM)。

激光源采用18个ELS模组,共计144个连续波(CW)DFB激光芯片,每颗功率输出约300-350mW。

收发两端合计1440根光纤,其中1152根用于发射/接收,288根为保偏光纤,对应144个单模MPO端口和36个保偏MPO。

存在以下四大核心制造环节:

微环调制器(MRM):相较于马赫-曾德尔调制器(MZM),MRM尺寸极紧凑(面积25-225μm²),功耗低,天然支持WDM,但温度敏感性极高(约为MZM的10-100倍),需精密温控系统,非线性特性也给高阶调制带来挑战。

PIC与EIC封装:从2D、2.5D逐步向3D封装演进,3D封装通过垂直互连实现更短传输距离、更高集成度,但工艺难度和良率压力显著上升,是当前CPO技术研究的热点与难点。

OE与ASIC芯片封装:以英伟达Spectrum-X Photonics交换芯片封装为例,其基板尺寸达110mm×110mm,远超Blackwell架构的70mm×76mm;封装过程中需先将36个已知合格的光学引擎通过倒装焊技术固定在基板上,再进行中介层模块键合,良率控制难度极高;随着中介层尺寸增加,翘曲问题亦日益凸显。

光纤耦合:CPO系统要求光纤以亚微米级精度对准芯片上的波导,且需在存在热效应的交换机机箱内部完成操作,难度远超可插拔模块场景。边缘耦合为当前主流方案,依赖微透镜聚焦与波导锥形结构实现高效耦合。

供应链高度碎片化,关注分工清晰的核心环节

当前CPO供应链的碎片化程度,是制约其商业化提速的核心障碍之一。

从英伟达CPO交换机供应链图谱来看,激光源、ELS模块、FAU、MPO连接器、晶圆代工、OSAT封装、光电测试等各环节均涉及多家供应商,但具备完整光电融合工艺能力的代工厂、专用高精度光电测试设备供应商及标准化封装材料商仍相当稀缺。

在Scale-up侧,CPO面临的供给端制约更为突出。由于NVLink等纵向扩展网络属于专有封闭体系,头部厂商具备垂直整合能力以推动CPO落地,商业化推进需求的迫切性更高,但供给端的良率与产能瓶颈同样更为关键。

在Scale-out侧,CPO对功耗和成本的改善幅度相对有限(三层网络架构下总功耗仅优化2%、总成本仅优化3%),商业化节奏相对平缓。

建议投资者优先关注两类方向:

一是分工清晰、已率先参与CPO交换机厂商联合研发或有订单预期的环节,包括大功率CW光源、FAU及ELS模组;

二是相较可插拔光模块具有弹性增量的环节,包括CPO耦合/测试设备、保偏光纤、先进封装(PIC和EIC封装)、ASIC芯片和OE封装、光纤分纤盒等。

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