CPO概念、技术发展及发展空间在哪？

光电共封装（Co-Packaged Optics，CPO）是一种新型的光电子集成技术。

1.CPO 是一种新型的光电子集成技术

光 电共封装基于先进封装技术将光收发模块和控制运算的专用集成电路（ASIC）芯片 异构集成在一个封装体内，形成具有一定功能的微系统。光电共封装技术进一步缩 短了光信号输入和运算单元之间的电学互连长度，在提高光模块和 ASIC 芯片之间 的互连密度的同时实现了更低的功耗，是解决未来大数据运算处理中海量数据高速 传输问题的重要技术途径。

单比特成本和功耗的降低需求持续催化 CPO 技术发展。根据 Cisco 数据，2010 —2022 年全球数据中心的网络交换带宽提升了 80 倍，背后的代价是交换芯片功耗 增加约 8 倍，光模块功耗增加 26 倍，交换芯片串行器/解串器（SerDes）功耗增加 25 倍。由于光接口依赖于数模混合的 SerDes 技术，其能效演进低于 ASIC 部分， 光接口的单比特成本和功耗下降的速率远落后于交换机 ASIC 部分，为了进一步降 低功耗，需要通过缩短 SerDes 的距离或者减少 SerDes 的数量来降低功耗，因此在 光互联的系统结构上出现了很多新型技术如 OBO、NPO、CPO 等。

1995 年以来，可插拔光模块已被行业广泛使用，这些可插拔光模块安装在 PCB 边缘，ASIC 在封装基底上，PIC/EIC 与 ASIC 芯片之间的距离是最远的，走线较长， 寄生效应明显，存在信号完整性问题，且模块的体积较大、互连密度低、多通道功 耗较大。 2018 年以来，板载光学（OBO）将光模块的关键组件，如光引擎/电引擎安装在 与封装 ASIC 相同的 PCB 上，并围绕封装 ASIC 的四周排列，该方案使用 PCB 来连 接封装 ASIC 和光引擎/电引擎。较可插拔光模块方案，PIC/EIC 与 ASIC 之间的距离 缩短，功率和电气性能方面有所改进。目前 OBO 已被部署于在特定需要比可插拔光 学更高带宽密度的场景中，如 IBM Power775 互连和 Atos/Bull BXI 互连等，且多基 于多模光学。COBO 联盟完成了一个针对板载光学的 MSA，包括关于八通道和十六 通道（电气）板载光模块的规格，每通道最高可达 56 Gb/s。 2020 年以来，业界提出近封装光学（NPO），将光引擎放置在与封装 ASIC 相邻 的可选光学基板旁，集成在同一高性能基板上，使用高性能基板来连接封装 ASIC 和 光引擎。根据 OIF 定义，NPO 中 ASIC 和光学之间的长度可以达到 150mm，同时将 信道损耗限制在 13dB 以内。 2023 年以来，自 Intel 和,Broadcom 推出 CPO 产品后，CPO 得到进一步重视， 其中光引擎（不包括光学基板）被放置在 ASIC 芯片的同一共封装基板的四周。此前 业界已开始围绕 CPO 标准的建立共识，其中美国、中国和欧洲在标准化倡议方面走 在了前列，包括光互联论坛（OIF）、机载光学联盟（COBO）、国际光子学与电子委 员会（IPEC）和中国计算机互联技术联盟（CCITA）在内的组织在实施 CPO 标准方 面取得了实质性进展，根据 OIF 规定，CPO 将光引擎和 ASIC 的距离限制在 50mm 以内，信道损耗限制在 10dB 以内。由于跨度更短和损耗降低，CPO 具有更低的功 耗。根据 Broadcom 的数据，可插拔光模块的功耗从 15pJ/bit 到 20pJ/bit 不等，而 CPO 系统的功耗可以降低 50%以上，达到 5pJ/bit 到 10pJ/bit 的范围。仿真结果表明，使 用全对全通信模式时，时间缩短了 40%。通过在交换机和服务器中实施 CPO 技术， 可以将网络容量增加 2 倍，同时将交换机数量减少 64%。

2. CPO 发展潜力较大，商业落地仍需产业协同

总体来看， CPO 是实现高集成度、低功耗、低成本、小体积的最优封装方案 之一。虽然 CPO 具有显著的潜在优势，但 CPO 目前处于产业化初期，除了技术上 的挑战外，更受集成光学器件的市场接受度、标准和制造能力的限制。作为光通信 解决方案的一环，其发展仍需整体产业链的协同推进。

 技术方面，CPO 在工艺、仿真以及测试等方面仍面临很多挑战

（1）封装工艺： CPO 涉及到 TSV、TGV、多层高密度互连基板、Bumping 和 芯片堆叠等先进封装中的关键技术，每种关键技术都有各自的优缺点，比如：TGV 通孔技术可能会损伤玻璃造成表面不光滑，大多数 TGV 加工方法效率低，没法大规 模量产，TGV 结构的电镀成本和时间比 TSV 略高，玻璃衬底表面的黏附性较差，容 易导致 RDL 金属层异常，玻璃本身的易碎性和化学惰性给工艺开发带来了难度；TSV 的通孔加工、孔填充都有较高的工艺要求，此外还涉及到晶圆减薄，存在潜在的成 品率和可靠性的问题； （2）器件性能问题：目前的硅光技术还有一些需要克服的技术难题，比如如何 减少硅波导的损耗、如何实现波导与光纤的有效耦合、如何克服温度对于功率和波 长稳定性的影响等。 （3）散热技术：热会导致机械应力，可能导致基板翘曲，影响光耦合和电子互 连的性能，CPO 中分配给光学和电气元件的空间非常有限，由于光学元件对热量较 为敏感，散热设计成为 CPO 另一个挑战； （4）仿真技术：随着集成密度的不断提高，为提高产品的一次设计成功率，仿 真技术在 CPO 设计阶段的应用将显著提升，由于 CPO 面临着光学、电学、热力学 等交叉学科的融合和多层级的跨越，对仿真提出了更高的要求。目前光子设计自动 化（PDA）工具能够提供精确的光子器件仿真，但仿真效率较低，不适合大规模系 统级仿真，同时电子设计自动化（EDA）工具大多基于电路级或系统级仿真，因此 能够应用于电路级和系统级仿真的光子器件模型是大规模电子-光子联合仿真的关键， 是未来光电共封装器件大规模商业化的重要条件，可以提高设计效率。光-电-热-力 多物理场的跨维度耦合仿真以及芯片-封装-系统的跨尺寸联合仿真将成为仿真领域 的发展趋势和难点； （5）测试和良率挑战：由于光芯片是直接与电芯片通过先进封装工艺封装在一 起，这给良率和测试带来了诸多挑战，同时光器件和电器件建立在不同的制造工艺 技术上，因此具有不同的测试要求。共封装的光学器件具有较高的通道密度，同样 给测试带来挑战。

 产业协同：AI 时代 CPO 方案或与可插拔方案长期共存

根据 Yole 报告，CPO 技术路线下，产业链分为了设计、光引擎、激光光源、芯 片供应商、硅光代工、设备商（CPO 组装）。随着 CPO 产业的逐步成熟，CPO 正逐 渐从学术研究成果转变为市场需求产品，但在当前可插拔光学器件行业逻辑下，要 成为商业化主流方案，仍需交换芯片及设备厂商、各模块厂商、各元器件厂商和运 营商共同参与，其商业落地或将会对产业格局产生深远影响：

（1）CPO 方案与可插拔方案产生直接竞争。目前可插拔光模块市场供应链已 经非常成熟，具备成熟工业生态系统，它包括分立或集成元件供应商、生产发射器 和接收器光学组件（TOSA 和 ROSA）的光学公司、多路复用器、数字信号处理器 （DSP） 和 PCB，以及组装/测试集成商，商业体系复杂，参与厂商众多；CPO 严 重依赖硅光子学，随着高度集成的硅光芯片的出现，新的工程能力和代工厂将非常 需要，这对于传统的中型企业来说具有较大挑战，传统供应商方案转向成本较高； 可插拔外形尺寸在所需的电气和光密度、热管理和能源效率方面支持高容量的能力 或将受到限制，分离器件方案对功耗和热管理正成为未来可插拔光学器件的限制因 素，但用于可插拔外形尺寸的新光学技术，包括硅光，薄膜铌酸锂 （TFLN）、钛酸 钡 （BTO）等，可以帮助实现所需的低功耗，并且可以在不改变现有网络系统设计 的情况下推向市场；尽管 CPO 解决方案的主流部署主要针对大型云运营商，但仍有 许多小型企业数据中心尚未采用最新的互连技术，这或将影响 CPO 落地节奏；若 CPO 成为主流技术，可插拔模块在技术上或经济上不可行的几个应用中仍有较高的 需求，例如长途应用和边缘数据中心，因此可插拔方案有望和 CPO 方案较长时间共 存，但可插拔光学器件行业可能会整合。

（2）CPO 产业有望带动硅光代工行业发展。随着 AI/ML 系统的发展，未来数 十亿个光互连、芯片-芯片和板-板的市场潜力推动大型代工厂为大规模生产做准备， 由于大多数光子学制造知识产权 （IP） 由非代工公司持有，因此 Tower Semiconductor/Intel、GlobalFoundries、ASE Group、TSMC 和 Samsung 等大型代工 厂正在准备硅光子学工艺流程，以接受设计公司的任何光子集成电路（PIC）架构。 他们积极参与 Peripheral Component Interconnect Express （PCIe）、Compute Express Link （CXL） 和 Universal Chiplet Interconnect Express （UCIe） 等行业联盟；小 芯片互连的通用规格支持构建超过最大标线尺寸的大型片上系统 （SoC） 的封装， 这使得在同一封装中可以混合来自不同供应商的组件，并通过使用更小的芯片来提 高制造良率，每个小芯片都可以使用适合特定器件类型或计算性能/功耗要求的不同 硅制造工艺。

我们认为，受益于底层硅光技术的进一步发展，龙头芯片/主机厂商的深度布局 及示范作用，以及 AIGC 算力需求对高带宽、低功耗、低成本的光通信方案的追求， CPO 有望在 AI 时代迎来其历史机遇期，特别是随着 CPO 相似技术的 OIO 技术的 进一步成熟，商业系统中的通信和计算技术更紧密地集成，传统架构（基于铜的电 气互连）的芯片到芯片或板到板的能力瓶颈有望被打破，使得高性能计算等领域得 到拓展，CPO 商业化落地有望得到进一步加速，但另一方面，CPO 作为整体光通 信解决方案中的一环，其实际商业化发展高度依赖于产业协同，特别是在传统可插 拔方案的成熟市场下，其与可插拔光模块方案在不同应用场景下仍各有优劣，并有 望保持较长时间的共存。根据 Lightcounting 预计，CPO 出货预计将从 800G 和 1.6T 端口开始，于 2024 至 2025 年开始商用，2026 至 2027 年开始规模上量，主要应用于 超大型云服务商的数通短距场景。全球 CPO 端口的销售量将从 2023 年的 5 万增长 到 2027 年的 450 万。2027 年，CPO 端口在 800G 和 1.6T 出货总数中占比接近 30%。Yole 报告数据显示，2022 年 CPO 市场产生的收入达到约 3800 万美元，预 计 2033 年将达到 26 亿美元，2022-2033 年复合年增长率为 46%。