隨著數字數據流的速度與速率不斷提升，PCB 走線損耗正日益成為瓶頸。通過共封裝光學（CPO） 將信號更靠近專用集成電路（ASIC），能夠有效改善信號完整性。

數百年來，通信速度一直受制于信息傳輸介質。徒步信使、快馬騎手、遠洋信件，距離與交通工具決定了傳輸極限。

電報與電話的發明改變了這一切。當傳輸介質實現近乎即時通信后，限制從傳輸轉向了解碼：摩爾斯電碼操作員的譯碼速度、人聲被理解的速度。

數據中心需要共封裝光學

圖 1. 傳統模塊化服務器與機箱架構依賴銅質背板與電氣互連，實現板卡、子系統與系統模塊間的數據傳輸。

在計算時代的大部分時間里，互連技術一直隱于幕后。處理器性能提升極快，機箱內部的銅質走線、背板與 PCB 布線被認為 “速度足夠”。傳統模塊化系統圍繞銅質背板與電氣互連構建，如圖 1 所示。

如今，這一假設已不再成立。隨著 AI 系統與超大規模架構對帶寬需求持續攀升，傳輸介質重新成為決定性因素。信號損耗、高功耗調理電路與密度限制意味著，PCB 已不再是高速通信的理想通道。數據傳輸方式，再次成為信息共享速度的核心。

這一瓶頸在大規模 GPU 集群、超大規模交換環境以及大型數據中心 AI 集群中尤為突出。在這樣的帶寬級別下，互連不再是設計邊緣的細節，而是核心。功耗、信號完整性、密度與延遲，全都由芯片間的比特傳輸方式決定。

共封裝光學（CPO） 正是在這一背景下應運而生。它常被描述為革命性技術，實則更適合理解為演進式技術。共封裝光學并非與過去徹底割裂，而是高速連接的下一步。其發展軌跡由數十年來塑造互連設計的相同工程壓力所驅動。

PCB 與背板：最初的高速通道

在現代電子史的大部分時間里，PCB 與銅質背板是模塊化電子系統的支柱。背板連接器、銅質走線與電氣信令讓架構師得以構建大型、可維護的平臺，處理器、線卡與子系統可在機箱內高效通信。

電信路由器與交換機依靠這些基于銅材的組件實現良好擴展。連接器技術隨芯片同步演進，引腳密度不斷提高、阻抗控制不斷優化、電氣性能代代提升。多年來，銅材恰好滿足工程師需求：易于制造、可靠且經濟高效的成熟介質。

但高速電氣擴展的現實是，每一代新技術都對物理特性提出更高要求。最終，背板開始不堪重負。

銅材擴展成為系統主導因素

圖 2. 隨著數據速率提高，電氣信道損耗與抖動加劇，信號眼圖開始閉合，需要額外的均衡、重定時與調理電路來維持鏈路完整性。

隨著數據速率持續攀升，電氣傳輸的物理極限愈發難以忽視。損耗隨頻率快速上升，反射與不連續性危害加劇，串擾余量縮小。PCB 設計的物理約束 —— 走線長度、過孔、連接器過渡與布線限制 —— 開始主導鏈路預算。速率越高，損耗與抖動的疊加效應越會閉合信號眼圖，如圖 2 所示。

在低速場景下，這些問題通常可通過合理布局與適度均衡解決。但隨著信令速率不斷升高，系統復雜度不再用于傳輸數據，而是用于保護數據。

每一個新的速度里程碑都需要更多均衡器、重定時器與更復雜的編碼。這些技術有效，但帶來了開銷：更多功耗用于維持信號，更多芯片資源用于傳輸比特而非計算。

在大型多機箱系統中，銅材還成為物理限制：重量、體積與傳輸距離瓶頸迅速暴露。這是推動光纖進入應用的最早動力之一。銅材難以滿足電信路由器多機箱間的距離要求，而光纖在共封裝光電子技術出現前很久就提供了實用解決方案。

延長銅材的使用壽命

行業最初的應對思路很直接：長電氣路徑是問題所在，那就縮短它。連接器從板邊移至靠近 ASIC的位置，以縮短電氣路徑。板中與近封裝連接器架構減少了走線長度，改善了信號完整性。

這一步提升了余量，延長了銅材的使用壽命，但也帶來新挑戰：連接器更靠近芯片要求更嚴格的機械公差，裝配更復雜，可維護性下降。每一項改進都伴隨權衡，但創新并未停止，下一步是為最高速通道完全繞開 PCB。

近芯片線纜

當 PCB 走線難以擴展時，許多設計師開始將高速信號引入緊鄰芯片的銅纜組件。雙軸電纜等高性能線纜技術在高速率下的損耗特性與傳輸距離優于長距離 PCB 走線。

圖 3. 雙軸電纜組件通過線纜而非 PCB 走線在 ASIC 與光模塊間傳輸信號，有助于提升信號完整性。

如圖 3 所示，近芯片布線讓設計師擺脫長板載走線限制。線纜在更可控的介質中傳輸信號，而非讓銅材橫穿整塊 PCB 或背板。但隨著更多高速通道從 PCB 轉向線纜，銅纜的體積與復雜度也隨之增加。

遺憾的是，這仍是電氣解決方案。盡管信道性能改善，但電氣信令的基本開銷并未消除：重定時器、編碼復雜度與功耗依然存在。隨著系統持續追求更高帶寬密度，近芯片布線同樣面臨問題：在架構被信號調理主導之前，銅材還能被推到多遠？

共封裝銅材

銅材創新并未止步于近芯片線纜。技術路線繼續向芯片靠近，甚至將高速電氣連接直接從芯片基板引出。共封裝銅技術進一步縮短走線長度，支持更高 I/O 密度。

然而在這一尺度下，封裝環境變得擁擠：熱約束加劇，機械集成更精細，連接器密度逼近實際極限。盡管銅材仍可擴展，但每一次速度提升都會使余量進一步縮小。

銅材在供電與許多短距互連中依然不可或缺。電氣創新仍在繼續，工程師一再延長銅材的使用壽命。銅材與光學技術并行發展并非偶然：工程師清楚，盡管每一代信令都在壓縮銅材的擴展空間，它仍將至關重要。

光學技術首次證明價值

光學進入系統設計并非因為工程師追求新奇。光纖最早應用于銅材無法滿足距離與擴展要求的場景，多機箱電信路由器是最早的案例之一。在這些系統中，銅纜過于笨重且距離受限，而光纖支持銅材無法實際實現的大型可擴展架構。

此后，光學開始更靠近芯片。板載光學縮短了高密度線卡系統內的電氣路徑。即便那時，光學仍常被視為小眾工具，僅在銅材力不從心時使用。但隨著帶寬需求爆發，光學不再小眾，而是成為必然選擇。

當系統在清理電氣信號上消耗的功耗超過數據傳輸本身時，光學就成了不可避免的選擇 —— 不是因為銅材失效，而是物理層面的權衡已不再合理。

當銅材系統逼近性能閾值時，問題不再是能為電氣鏈路增加多少復雜度，而是另一種介質能否更自然地擴展。光纖與銅材的擴展特性截然不同：高速雙軸銅纜的傳輸距離局限于米級，而光纖通常支持數百至數千米。光介質的衰減與色散特性不同，光子學提供了電氣信令難以高效實現的擴展機會。

電信行業早已利用波分復用（WDM） 在單根光纖上傳輸多路信道，使帶寬增長獨立于物理介質。在這些系統中，擴展帶寬通常只需改變收發端。隨著光引擎向芯片靠近，類似原理可應用于數據中心光子學。

一旦光學足夠靠近芯片以消除長電氣路徑，大量重定時與編碼開銷便會消失。這正是行業將重心轉向共封裝光學的關鍵原因。

什么是共封裝光學？

傳統上，光轉換位于系統邊緣的可插拔模塊中。ASIC 通過 PCB 走線進行電氣通信，光學僅出現在前面板。共封裝光學改變了這一邊界。從物理結構看，架構轉變更為清晰：圖 4 顯示光引擎移至 ASIC 封裝旁，光纖直接從基板輸出。

CPO 將電光接口拉入封裝環境。光收發功能距 ASIC 僅毫米級，而非在系統邊緣轉換信號。收益十分顯著：電氣路徑大幅縮短，重定時與調理開銷降低，原本用于驅動長銅鏈路的大量芯片與功耗得以消除。

共封裝光學最好被理解為轉換位置的架構轉變，而非一項新功能。

圖 4. 共封裝光學架構將光引擎置于 ASIC 封裝旁，光纖直接從基板引出，而非前面板模塊。

何時需要考慮 CPO？

大多數工程師采用光學并非出于跟風。當電氣鏈路無法高效擴展時， adoption 便會發生。當銅材傳輸距離在每一代迭代中持續縮水、引出布線受封裝限制時；當單機架帶寬超出前面板光學支持能力、每比特功耗成為硬性架構約束時，共封裝光學就進入了視野。

在大多數情況下，CPO 并非要全面取代銅材，而是在芯片邊緣距離、密度與功耗交匯的場景中應用光學。

工程組件與待解決挑戰

實現共封裝光學需要幾項關鍵要素：

• 帶光功能的芯片與光子 tile 必須集成在基板附近

• 需要外部激光器（通常置于封裝外以提升熱穩定性與長期可靠性）

• 光可通過專用光纖路徑高效傳入光引擎

下一代交換芯片與 GPU 集群的路線圖已指向更高的單封裝通道數。連接器必須可分離、可維護，而非易損壞的永久裝配。光纖到芯片連接仍是最大挑戰之一：以可制造、可拆卸的方式將數百根光纖連接到緊湊基板并非易事。CPO 在技術上可行，但大規模部署擴展仍是巨大障礙。

誰會率先采用共封裝光學？

共封裝光學的早期采用者最可能是超大規模廠商與 AI 基礎設施建設者，他們對帶寬密度與功耗效率要求極高。大型訓練集群、交換矩陣與低延遲敏感系統將率先證明 CPO 架構的價值。在這些環境中，即便每比特功耗或延遲小幅優化，在數千臺互聯設備擴展后也能帶來顯著的系統級收益。

一旦光纖可直接從芯片引出，該技術將具備廣泛適用性。剩余障礙是生態系統成熟度：行業必須從生產數千套復雜光子組件，擴展到數十萬套基于 CPO 的系統。

結論：芯片邊緣的下一步

共封裝光學并非突如其來的革命，而是封裝內高速連接的下一步演進。銅材仍將至關重要，尤其在供電與短距鏈路中；但在電氣開銷不再合理的場景下，光學成為必然選擇。

未來是混合的。銅材與光纖將共存，各自服務于最具工程合理性的應用場景，而系統架構師將繼續在提升帶寬、向芯片靠近的道路上艱難前行。