共封装光学(CPO)：人工智能高算力赛道 核心环节梳理

 　　随着人工智能、大数据、云计算应用需求的发展，驱动数据中心规模不断扩大，对带宽容量与高速数据传输速率的需求明显增加。

　　不同服务器之间需要频繁的大量数据交换，数据互联的带宽往往会限制整体任务的性能，这成为数据中心引入超高带宽基于硅光子的数据互联的主要理由。

　　与此同时，当前硅光子技术正在经历重要的技术革新，摩尔定律趋于平缓，芯片制造技术接近物理瓶颈，从系统的角度对性能优化从而实现速率提升成为必选之路。

　　而CPO共同封装光子是业界公认未来高速率产品形态，是未来解决高速光电子的热和功耗问题的最优解决方案之一，有望成为产业竞争的主要着力点。

　　未来CPO将成为云提供商数据中心的主导使能技术，最初将应用于超大规模数据中心，随后低时延与高速率应用将推动CPO需求，、机器学习等领域有望成为主要驱动因素。

　　人工智能对网络速率的需求是目前的10倍以上，在这一背景下，CPO有望将现有可插拔光模块架构的功耗降低50%，在人工智能和高性能计算场景下的竞争优势更加明显。

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　　共封装光学（CPO) 行业概览

　　共封装光学CPO（co-packaged optics，CPO）是一种新型的高密度光组件技术，具有的功耗低、带宽大的特点。

　　简单来说，共封装光学CPO就是将光模块不断向交换靠近，缩短芯片和模块之间的走线距离，并逐步替代可插拔光模块，最终将光引擎和电交换芯片封装成一个芯片。

　　CPO可以取代传统的前面板可插入式光模块，将硅光子模块和超大规模CMOS芯片以更紧密的形式封装在一起，从而在成本、功耗和尺寸上都进一步提升数据中心应用中的光互连技术。

　　CPO主要涉及3类核心技术挑战：高密度的光电（驱动）芯片设计技术、高密度及高带宽的连接器技术、封装和散热技术。

　　目前主流的CPO有两种技术方案和应用场景：

　　一是基于VCSEL的多模方案，30m及以下距离，主要面向超算及AI集群的短距光互联；

　　二是基于硅光集成的单模方案，2公里及以下距离，主要面向大型数据中心内部光互联。

　　当数据中心的数据传输在带宽密度要求大幅提升且单通道速率超过100Gbps，传统可插拔光模块和板载光学器件在成本效益方面，将很难与CPO技术相媲美。

　　光电共封装技术（CPO）路线图：

　　根据LightCounting预测，按照端口数量统计，CPO的发货量将从2023年的5万件增加到2027年的450万件，以800G和1.6T CPO为主。

　　LightCounting对光模块、AOC、EOM和CPO的最新预测显示，从2016年开始，基于SiP产品的市场份额稳步增长，2018年以后增长加速。

　　SiP花了超过十年的时间才获得25%的市场份额，预计到2026年会超过50%，其中包括共封装CPO技术将在未来5年达到8亿美元的市场规模。

　　CPO市场份额预测：

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　　共封装光学（CPO)市场格局及核心环节

　　CPO技术作为业界公认的未来高速率产品形态，其成熟与商业化有望引发光模块竞争格局变革。

　　全球多家不同背景的大厂商已开始布局该领域研发。

　　目前AWS、微软、Meta、谷歌等巨头，思科、博通、Marvell、IBM、英特尔、英伟达、AMD、台积电、格芯、Ranovus等网络设备龙头及芯片龙头，均前瞻性地布局CPO相关技术及产品，并推进CPO标准化工作。

　　云服务厂商Facebook和Microsoft创建了CPO联盟，旨在打造一个平台，吸引各细分行业龙头加入联盟，推动CPO标准的建立和产品的发展；设备厂商思科和Juniper未来都将推出51.2T/s的CPO交换机；芯片厂商英特尔和博通则在推出各自相应的交换机芯片的基础上，再研发CPO交换机。

　　据Intel、Broadcom等厂商预计，至2023-2025年间CPO技术有望得到实际应用，对应的芯片产品亦将逐步推向市场。

　　Intel 1.6 T硅光引擎与12.8T的可编程以太网交换机集成CPO交换机实物：

　　国内厂商也在积极布局CPO领域，其中亨通光电联合英国Rockley推出了3.2T的CPO交换机样机；中际旭创、新易盛、天孚通信等厂商也都在布局该领域。

　　设备商和终端用户方面也有包括华为、腾讯和阿里巴巴等大厂入局。

　　光模块方面来看，中国光模块厂商近十年取得长足进步，已占据全球主要份额。

　　凭借着400G时代的先发优势，国内领先的厂商有望在800G光模块时代继续取得领先的优势，以及在共封装光学领域取得突破。

　　800G光模块已有多家厂商推出，包括中际旭创、新易盛、光迅科技、华工科技、索尔思、剑桥科技和亨通光电等厂商。

　　国内在光模块领域成为全球领先者的角色的同时，将有力推动核心光电产业链的发展，该环节主要厂商包括光迅科技、仕佳光子和华工科技等。

　　产业链相关布局厂商还包括博创科技、光库科技、锐捷网络和联特科技等。

　　据Yole预测，至2026年全球光模块市场规模达209亿美元，呈现量价齐升趋势。

　　业内人士普遍认为，硅光技术将大幅降低光连接的成本。LightCounting指出，光通信行业已经处在硅光技术SiP规模应用的转折点，预测这种技术过渡的时间极具挑战，就像许多其他根本性的变化一样。

　　目前CPO还有许多亟待解决的关键技术问题需要突破，例如如何选择光引擎的调制方案、如何进行架构光引擎内部器件间的封装以及如何实现量产可行的高耦合效率光源耦合。传统的基于像EML、DML等分立式光学引擎设计的一些方式，基本上不再能满足Co-packaging对空间的一些要求。

　　从行业趋势来看，CPO将在51.2T交换机时代将成为重要的技术流派，数年内成为内必不可少的技术，同时结合硅光技术将最大化发挥出共封装形态产品的优势。