Co-Quang học đóng gói: Khi CPO đánh bại Pluggables

Co-Quang học đóng gói (CPO)là kiến ​​trúc kết nối đặt công cụ quang học ngay bên cạnh bộ chuyển đổi ASIC hoặc bộ xử lý, thay vì định tuyến các tín hiệu điện tốc độ cao-trên bo mạch đến các mô-đun có thể cắm ở bảng mặt trước. Đối với các trung tâm dữ liệu AI, CPO quan trọng vì nó tấn công ba hạn chế mà quang học thông thường gặp phải đầu tiên ở tốc độ cao: công suất trên mỗi bit, mật độ băng thông và tính toàn vẹn của tín hiệu điện. Đây không phải là một dạng thức mô-đun mới. Đây là sự thay đổi cấp độ hệ thống về cách tích hợp các chức năng điện và quang bên trong công tắc.

Sự thay đổi không còn mang tính lý thuyết nữa. Tại GTC 2025, NVIDIA đã trình diễn các công tắc quang tử Lượng tử-X và Spectrum-X với động cơ quang tử silicon-được tích hợp trong gói và tạiOFC 2025, nhiều nhà cung cấp đã trưng bày các động cơ quang học được nhúng bên trong các gói ASIC. Câu hỏi dành cho hầu hết các nhóm không còn là liệu CPO có thật hay không mà là nó phù hợp ở đâu và khi nào.

Quang học đóng gói Co{0}}là gì?

Co-Quang học đóng gói di chuyển động cơ quang học - đôi khi được gọi là chiplet quang tử - từ tấm mặt đến đế công tắc, gần với ASIC. Mục đích là rút ngắn đường dẫn điện giữa chip và điểm chuyển đổi tín hiệu thành ánh sáng.

Trong kiến ​​trúc có thể cắm truyền thống, bộ chuyển mạch ASIC truyền tín hiệu điện tốc độ cao-trên từng cm vết PCB đến bộ thu phát được gắn ở bảng mặt trước. Mô hình đó đã trưởng thành, linh hoạt và dễ phục vụ. Tuy nhiên, khi tốc độ mỗi làn tăng lên 200G trở lên, các đường dẫn điện đó sẽ tiêu thụ phần lớn công suất của toàn hệ thống và trở nên khó thiết kế rõ ràng hơn.

CPO thay đổi hình học. Tín hiệu chỉ truyền đi vài milimét điện trước khi chuyển sang quang, thay vì 15 đến 30 cm trên một bảng. Hiệu quả thực tế chỉ trong một câu: I/O quang di chuyển đủ gần chip để một bộ chuyển mạch có thể đẩy nhiều băng thông hơn với ít biến dạng điện hơn.

CPO có giống như Silicon Photonics không?

Không, và sự khác biệt rất quan trọng. Quang tử silicon là một nền tảng chế tạo được sử dụng để xây dựng các mạch tích hợp quang tử. CPO là một kiến ​​trúc hệ thốngcông dụngquang tử silicon như một công nghệ cho phép. Ví dụ: động cơ quang tử của NVIDIA được xây dựng trên quy trình COUPE của TSMC, quy trình này xếp một khuôn điện tử lên trên một khuôn quang tử. - quang tử silicon là khối xây dựng, CPO là cách nó được lắp ráp thành một công tắc.

Tại sao các trung tâm dữ liệu AI lại đẩy quang học đến gần chip hơn

Các cụm AI tạo ra lưu lượng truy cập dữ dội về phía đông{0}}tây giữa GPU, bộ tăng tốc, bộ lưu trữ và bộ chuyển mạch. Khối lượng công việc đào tạo và suy luận di chuyển khối lượng dữ liệu khổng lồ với yêu cầu chặt chẽ về độ trễ và tính nhất quán, đồng thời lộ trình mạng vượt xa những gì hệ thống quang học bảng mặt trước có thể mang lại một cách thoải mái.

Ba áp lực thúc đẩy sự thay đổi và chúng cộng hưởng lẫn nhau.

Băng thông đang mở rộng nhanh hơn phạm vi tiếp cận điện.Mạng đang chuyển từ 400G sang 800G vàMô-đun quang 1.6T dự kiến ​​sẽ sớm được triển khai thương mại vào khoảng năm 2025 đến 2026. Khi băng thông ASIC của bộ chuyển mạch tăng gần gấp đôi sau mỗi 18 đến 24 tháng trong khi phạm vi tiếp cận điện có thể sử dụng của đồng co lại ở tốc độ SerDes cao hơn,-mô hình có thể cắm ở bảng mặt trước sẽ gặp khó khăn ở đâu đó xung quanh thế hệ bộ chuyển mạch 102,4 Tbps.

Công suất trên mỗi bit hiện là số-cấp cơ sở.Đây là thước đo thực sự tác động đến các quyết định mua sắm. Một mô-đun cắm 800G truyền thống chạy khoảng 15 đến 20 picojoules mỗi bit; Mục tiêu triển khai CPO là khoảng 5 pJ/bit, với lộ trình đáng tin cậy ở dưới mức đó. Các cuộc biểu tình độc lập ủng hộ điều này -Chiplet I/O quang của Intel tiêu thụ khoảng 5 pJ/bit so với khoảng 15 pJ/bit đối với các mô-đun có thể cắm được. Trên hàng trăm nghìn cổng trong một cụm đào tạo lớn, việc tiết kiệm 10 đến 15 watt trên mỗi cổng sẽ tương đương với megawatt ở cấp độ tòa nhà. Với một-giá cao cấp dự kiến ​​tiêu thụ hàng trăm kilowatt, mỗi watt không tiêu tốn trên mạng sẽ là một watt có sẵn cho điện toán.

Mật độ-mặt trước của bảng điều khiển là trần cứng.Nhiều băng thông hơn có nghĩa là nhiều cổng hơn, nhiều cáp hơn, nhiều nhiệt hơn và luồng không khí mạnh hơn. Chỉ có rất nhiều tấm mặt và các lồng có thể cắm được sẽ cạnh tranh để có được nó. Việc chuyển đổi lên chất nền sẽ loại bỏ giới hạn hình học đó.

Đây là lý do tại sao CPO phù hợp nhất với các môi trường AI, HPC, đám mây và siêu quy mô lớn - những nơi mà ba áp lực này xuất hiện đầu tiên. Nó không được thiết kế để thay thế mọi mô-đun trong mọi trung tâm dữ liệu.

Sơ lược về Kiến trúc CPO

Sẽ hữu ích khi xem CPO như một tập hợp các khối xây dựng chứ không phải là một thứ đơn lẻ. Mỗi người chuyển một vấn đề sang một nơi mới.

Chiến lược laser rất đáng để nghiên cứu vì đó là nơi các nhà cung cấp âm thầm giải quyết vấn đề về khả năng bảo trì. Vì tia laser là bộ phận dễ bị hỏng nhất-của liên kết quang nên nhiều thiết kế sử dụng tia laser bên ngoài có thể cắm được. Ví dụ, các công tắc quang tử của NVIDIA cung cấp tám động cơ 1,6 Tbps từ một mô-đun laser có thể thay thế, điều này cũng giúp cắt giảm số lượng laser cần thiết trên một đơn vị băng thông. Về mặt vận hành, dấu hiệu hàng đầu về tình trạng chết laze là dòng điện phân cực laze tăng đều đặn trong khi đầu ra quang vẫn ổn định - đo từ xa mà hệ thống giám sát cần theo dõi thay vì chỉ dựa vào nguồn điện nhận.

Chính xác thì điều gì sẽ thay đổi khi quang học tiến gần hơn đến ASIC?

"CPO thay đổi những gì" là phần mà hầu hết các tổng quan đều mơ hồ. Cụ thể, nó thay đổi năm thứ cùng một lúc và nhóm đánh giá CPO nên suy luận về từng thứ một cách riêng biệt thay vì xem xét một giao dịch riêng lẻ.

Thiết kế chuyển đổi.Quang học không còn là mô-đun có thể thay thế mà nhà điều hành dự trữ và bắt đầu trở thành một phần của bo mạch trong các thiết kế OEM. Bộ định thời gian DSP điều chỉnh tín hiệu cho một vết PCB dài thường có thể bị loại bỏ hoàn toàn, đây chính là nguyên nhân giúp tiết kiệm được nhiều điện năng.

Quản lý nhiệt.Công cụ quang học hiện nằm bên cạnh ASIC{0}}công suất cao. Laser, bộ điều biến và đặc biệt là bộ cộng hưởng vòng là những thiết kế dựa trên vòng - - nhạy cảm với nhiệt độ-cần điều khiển bộ gia nhiệt nhỏ-liên tục để giữ IC quang tử ở nhiệt độ. Vùng nhiệt bên trong công tắc trở thành một vấn đề về thiết kế chứ không phải là vấn đề cần cân nhắc.

Quản lý chất xơ.Sự chuyển đổi xảy ra trên chất nền có nghĩa là sợi quang phải được định tuyến, bảo mật và căn chỉnhbên trongcái hộp. Độ tin cậy của đầu nối, hiệu suất uốn cong và dung sai căn chỉnh chuyển từ "mối lo ngại về cáp" sang "mối lo ngại về năng suất hệ thống".

BẢO TRÌ.Kỹ thuật viên có thể kéo và thay thế bộ thu phát-mặt trước trong vài giây. Không thể hoán đổi công cụ đóng gói chung theo cách đó. Tiết kiệm, sửa chữa, cách ly lỗi và những gì mà người vận hành gọi là "bán kính vụ nổ" - mức độ giảm đi khi một phần tử bị lỗi - đều thay đổi.

Mua sắm và vòng đời.Pluggable mang lại cho người vận hành đòn bẩy: nhiều nhà cung cấp có thể tương tác, phụ tùng dễ dàng, nâng cấp gia tăng. Một hệ thống quang học tích hợp hơn sẽ thu hẹp trường đó và gắn kết quang học với vòng đời của bộ chuyển mạch. Đây là chi phí thực tế không liên quan gì đến hiệu suất quang học.

Tóm tắt trung thực là CPO không chỉ đơn giản là giảm công suất. Nó chuyển sự phức tạp - ra khỏi đường dẫn điện và chuyển sang hoạt động đóng gói, thiết kế nhiệt, hiệu suất và hiện trường.

CPO so với Quang học có thể cắm và LPO: Bạn nên chọn cái nào?

CPO thường được so sánh với hai lựa chọn thay thế: Quang học có thể cắm thông thường và Quang học có thể cắm tuyến tính (LPO). Chúng có liên quan với nhau nhưng giải quyết các vấn đề khác nhau và đối với nhiều nhóm,-sự lựa chọn thực tế trong thời gian ngắn là giữa có thể cắm và LPO, với CPO được theo dõi cho thế hệ nền tảng tiếp theo.

Khung quyết định thực tế:

• Chọn quang học có thể cắm đượckhi tính linh hoạt trong vận hành, việc tiết kiệm nhiều-nhà cung cấp và thay thế trường nhanh chóng là vấn đề quan trọng nhất - và vẫn là hầu hết các mạng.
• Xem xét LPOkhi bạn cần công suất và độ trễ thấp hơn trong phạm vi tiếp cận ngắn nhưng muốn giữ mô hình có thể cắm quen thuộc. LPO là cầu nối có-rủi ro thấp hơn và có những người ủng hộ nổi bật - tại OFC 2025, người đồng sáng lập Arista-Andy Bechtolsheim tiếp tụctranh luận về việc LPO là giải pháp thay thế-ngắn hạn tốt hơn.
• Theo dõi CPOkhi mật độ băng thông, công suất trên mỗi bit và khả năng mở rộng-dài hạn vượt quá 800G vượt xa khả năng phục vụ ở cấp độ-mô-đun - và đặc biệt là đối với-khả năng mở rộng quy mô bên trong cụm AI.

Khung giúp ích nhiều nhất: CPO không phải là quyết định mua mô-đun mà là quyết định về kiến ​​trúc hệ thống chuyển đổi. Hãy đối xử với nó theo cách đó và hầu hết sự nhầm lẫn sẽ biến mất.

Lợi ích của Quang học đóng gói Co{0}}cho Mạng AI

Lợi ích hàng đầu là hiệu quả sử dụng năng lượng trên quy mô lớn. Broadcom tuyên bố tiết kiệm được khoảng 30% điện năng và giảm 40% chi phí quang học trên mỗi bit từ nền tảng CPO của mình, cùng với mật độ băng thông ở mức 1 Tbps trên mỗi milimet. Khoảng cách năng lượng-mỗi-bit - khoảng 15 pJ/bit đối với thiết bị cắm so với mục tiêu 5 pJ/bit đối với CPO - là mức biến thành megawatt cấp cơ sở trên một cụm lớn.

Mật độ băng thông là lợi ích thứ hai và nó mang tính cấu trúc chứ không phải tăng dần. Bằng cách thoát khỏi tấm mặt, CPO loại bỏ trần-của bảng điều khiển phía trước hạn chế các thiết kế có thể cắm sau khi công suất của bộ chuyển mạch vượt qua khoảng 102,4 Tbps. Độ trễ cũng có thể cải thiện khi đường dẫn tín hiệu được đơn giản hóa, mặc dù độ trễ phải luôn được đánh giá ở cấp độ toàn hệ thống chứ không chỉ ở công cụ quang học.

Dữ liệu về độ tin cậy cũng đang bắt đầu được cung cấp, điều này rất quan trọng đối với một công nghệ lâu nay vẫn bị mắc kẹt ở mức "đầy hứa hẹn". Vào tháng 10 năm 2025, Broadcom đã báo cáo rằng Meta đã thử nghiệm giải pháp CPO của mình trong một triệu giờ-liên kết mà không có một nắp liên kết nào trong-đặc tính phòng thí nghiệm nhiệt độ cao -, loại bằng chứng mà người vận hành cần trước khi tin tưởng vào hệ thống quang học không-có thể sử dụng được trong sản xuất.

Những thách thức và rào cản triển khai của CPO

Những thách thức là có thật và chúng hầu hết không mang tính quang học. Đó là các vấn đề về đóng gói, nhiệt, vận hành và hệ sinh thái.

Quản lý nhiệtlà khó nhất. Động cơ nằm cạnh một ASIC nóng và đặc biệt là các bộ cộng hưởng vòng yêu cầu hệ thống sưởi chủ động để duy trì-bước sóng - nên thiết kế phải quản lý nhiệt mà động cơ vừa tạo ra vừa phụ thuộc vào. Sự chênh lệch nhiệt độ đe dọa trực tiếp đến-độ tin cậy lâu dài.

Đóng gói và năng suấtđến tiếp theo. Việc-tích hợp khuôn điện tử và khuôn quang tử đòi hỏi phải có quy trình đóng gói tiên tiến, sự liên kết chặt chẽ và các phương pháp thử nghiệm vẫn đang hoàn thiện. Năng suất và khả năng sản xuất, không phải hiệu suất quang học thô, thường là sản xuất khối lượng cổng.

Khả năng phục vụ và bán kính vụ nổthay đổi mô hình hoạt động. Các nguồn laser có thể cắm giúp giảm thiểu trường hợp xấu nhất, nhưng người vận hành vẫn mất đi quy trình làm việc "kéo và thay thế" đơn giản cũng như sự thoải mái của nhiều nhà cung cấp có thể hoán đổi cho nhau.

Sự sẵn sàng của hệ sinh tháigắn kết nó lại với nhau. CPO phụ thuộc vào sự phối hợp giữa các nhà cung cấp thiết bị chuyển mạch-silicon, nhà cung cấp động cơ-quang, nhà sản xuất laser, nhà cung cấp kết nối-cáp quang, đối tác đóng gói và nhà khai thác đám mây, được điều chỉnh theo thông số kỹ thuật từ các cơ quan nhưDiễn đàn kết nối mạng quang học (OIF)và IEEE. Sự phối hợp đó đang hình thành nhưng chưa kết thúc.

Sự đồng thuận của thị trường phản ánh điều này. Ngay cả các nhà phân tích cũng lạc quan về công nghệ -SemiAnalysis dự kiến ​​sẽ không có đường cong áp dụng nhanh chóng cho việc mở rộng quy mô-CPO giữa các công cụ siêu quy mô trong thời gian tới, ngay cả khi chính những nhà khai thác đó cam kết với nhà cung cấp về việc-mở rộng quy mô. CPO phát triển trước tiên khi lợi ích thể hiện rõ ràng sự phức tạp: các nhà máy AI rất lớn, các loại vải siêu quy mô và cụm HPC.

Khi nào các trung tâm dữ liệu AI nên xem xét-Quang học đóng gói Co?

Hãy chú ý đến CPO nếu lộ trình của bạn bao gồm các bộ chuyển đổi cơ số-rất cao, liên kết 800G hoặc 1.6T, cụm GPU lớn hoặc các mục tiêu cấp điện-trên-bit - nghiêm ngặt và đặc biệt nếu thiết kế hiện tại của bạn đã bị hạn chế bởi nguồn điện, khả năng làm mát, tính toàn vẹn của tín hiệu hoặc mật độ tấm mặt. Khi chi phí và độ khó của việc mở rộng quy mô kiến ​​trúc có thể cắm tiếp tục tăng lên, sự cân bằng-của CPO bắt đầu có vẻ thuận lợi.

CPO có lẽ không phải là bước đi phù hợp ngay lập tức nếu ưu tiên của bạn là tính linh hoạt trong vận hành, thay thế nhanh, lựa chọn nhà cung cấp rộng rãi và nâng cấp dần dần. Đối với hầu hết các trung tâm dữ liệu dành cho doanh nghiệp và{1}}có mục đích chung, hệ thống quang học có thể cắm hoàn thiện ngày nay vẫn phù hợp hơn, với LPO là tùy chọn-công suất thấp hơn cho các liên kết nhạy cảm-tầm ngắn, nguồn{4}}.

CPO sẽ thay thế quang học có thể cắm được?

Không phải trong thời gian tới. Bộ thu phát có thể cắm có chuỗi cung ứng hoàn thiện, hỗ trợ tiêu chuẩn rộng rãi, khả năng tương tác của nhiều{1}}nhà cung cấp và mô hình hoạt động đã được chứng minh, đồng thời chúng sẽ tiếp tục phục vụ hầu hết các ứng dụng trung tâm dữ liệu, doanh nghiệp, viễn thông và đám mây.Triển khai-các sản phẩm CPO sẵn sàng chỉ ra mắt vào năm 2025, với việc triển khai-mở rộng quy mô siêu quy mô đầu tiên dự kiến ​​vào năm 2026 trên-nền tảng chuyển đổi thế hệ tiếp theo.

Bức tranh rõ ràng hơn là một hệ sinh thái nhiều lớp. Quang học có thể cắm vẫn là xu hướng chủ đạo. LPO đóng vai trò là cầu nối nguồn-thấp hơn để giữ cho mô hình có thể cắm được. Và CPO trở thành trung tâm nơi mà băng thông, công suất và mật độ vượt qua những gì mà hệ thống quang học-mặt trước có thể thực hiện - một cách dứt khoát nhất trong việc mở rộng-các kết cấu AI, nơi nó được định vị là động lực chính cho sự tăng trưởng băng thông trong nửa sau của thập kỷ này. Tương lai không phải chỉ có một kiến ​​trúc chiến thắng; mỗi cái phù hợp với một yêu cầu về hiệu suất, chi phí và vận hành khác nhau.

Phần kết luận

Co{0}}Quang học đóng gói là một trong những thay đổi kiến ​​trúc mang tính hệ quả nhất trong mạng trung tâm dữ liệu tốc độ cao-. Bằng cách di chuyển chuyển đổi quang học lên nền chuyển mạch, nó sẽ cắt giảm năng lượng trên mỗi bit xuống còn 5 pJ/bit, nâng mật độ băng thông vượt quá mức trần-của bảng điều khiển phía trước và giúp mạng AI và HPC có khả năng mở rộng quy mô vượt quá 800G và 1,6T. Bằng chứng đã chuyển từ phần mềm trượt sang sản phẩm vận chuyển và dữ liệu có độ tin cậy thực sự.

Nhưng CPO không phải là sự thay thế-cho cáp quang có thể cắm được. Nó giải quyết các vấn đề về điện-tiếp cận đối với các vấn đề về đóng gói, nhiệt, quản lý sợi- và vận hành - và nó thu hẹp các đòn bẩy mua sắm mà các nhà khai thác đã quen sử dụng. Đối với hầu hết các nhóm, tư thế phù hợp là được phân lớp: giữ các hệ thống quang học có thể cắm hoàn thiện ở nơi phù hợp, sử dụng LPO cho phạm vi tiếp cận ngắn hạn-công suất thấp hơn và theo dõi CPO cho các loại vải AI và HPC có mật độ-cao-thế hệ tiếp theo, đặc biệt là mở rộng quy mô-. Sự thay đổi quan trọng về mặt tinh thần rất đơn giản: CPO không phải là một quyết định mua mô-đun mà là một quyết định-kiến trúc hệ thống chuyển mạch - và trên cơ sở đó, nó đã thuộc về bất kỳ cuộc trò chuyện nghiêm túc nào về lộ trình mạng AI.