隨著數字數據流速度與速率不斷提升，PCB 走線帶來的損耗日益成為瓶頸。通過共封裝光學（CPO） 將信號更靠近專用集成電路（ASIC），能顯著改善信號完整性。

數百年來，通信速度一直受制于信息傳輸介質：徒步信使、騎馬信使、跨洋信件，距離與運輸方式決定了極限。

電報和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，限制從傳輸轉向解析：摩爾斯電碼操作員解碼速度、語音被理解的速度。

數據中心亟需共封裝光學

圖 1. 傳統模塊化服務器與機箱架構，長期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，互連技術都隱于幕后。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 “足夠快”。傳統模塊化系統圍繞銅質背板與電氣互連搭建，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不斷推高帶寬需求，傳輸介質重新成為決定性因素。信號損耗、高功耗調理電路、密度限制意味著，PCB 已不再是最高速通信的天然通道。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新建的 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，全都由芯片間比特流的傳輸方式決定。

共封裝光學（CPO） 正是在這一背景下應運而生。它常被稱為革命性技術，但更應被視作演進式升級。共封裝光學并非與過去徹底割裂，而是高速互連的下一步。這一趨勢由數十年來驅動互連設計的相同工程壓力所推動。

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骨干。背板連接器、銅質走線與電氣信令，讓架構師能夠搭建大型、可維護的平臺，使處理器、線卡與子系統在機箱內高效通信。

電信路由器與交換機依靠這些銅質基礎組件實現了良好擴展。連接器技術隨芯片同步演進，引腳密度不斷提升、阻抗控制持續優化、電氣性能代代增強。多年來，銅材恰好滿足工程師需求：熟悉、易制造、可靠、成本可控。

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。

銅材擴展主導整個系統

圖 2. 隨著數據速率升高，電氣信道損耗與抖動加劇，信號眼圖逐漸閉合，需要額外的均衡、重定時與調理電路才能維持鏈路完整性。

隨著速率持續攀升，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、串擾余量不斷縮小。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提高，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、重定時器與更復雜的編碼。這些技術有效，但會帶來額外開銷：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，銅材還成為物理瓶頸：重量、體積與傳輸距離限制迅速暴露。這是推動光纖進入視野的最早動因之一。銅材難以滿足電信路由器多機箱間的距離要求，而早在共封裝光子學被討論之前，光纖就已提供了實用方案。

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。連接器不再從板邊發送高速信號，而是靠近 ASIC，以縮短電氣路徑。板中與近封裝連接器架構減少了電氣長度，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。每一次改進都伴隨權衡，但創新仍在繼續，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。雙軸同軸電纜等高性能線纜技術，在高速率下的表現優于長距離 PCB 走線，損耗特性更好、傳輸距離更遠。

圖 3. 雙軸同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，有助于改善信號完整性。

如圖 3 所示，近芯片線纜讓設計師擺脫了長板載走線的限制。線纜通過更可控的介質傳輸信號，而非強迫銅材穿過整塊 PCB 或背板。但隨著更多高速通道離開 PCB 進入線纜，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。盡管信道性能提升，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，近芯片線纜同樣面臨一個問題：在架構被信號調理主導之前，銅材還能被推多遠？

共封裝銅互連

銅材創新并未止步于近芯片線纜。技術路線圖繼續向芯片靠近，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壓縮余量。

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，工程師已多次延長銅材的使用壽命。銅材與光學同步發展并非偶然：工程師清楚，盡管每一代信令都在壓縮銅材的擴展空間，但它仍將至關重要。

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。光纖最早被采用，是在銅材無法滿足距離與擴展需求的場景。多機箱電信路由器就是最早的例子之一。在這些系統中，銅纜過于笨重、距離受限，而光纖支持更大、更易擴展的架構，這是銅材難以實現的。

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。即便如此，光學仍常被視作小眾方案，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。

當系統用于修復電氣信號的功耗，超過傳輸數據本身的功耗時，光學就成為不可避免的選擇 —— 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 “還能為電氣鏈路增加多少復雜度”，而是 “另一種介質是否能更自然地擴展”。

光纖與銅材的擴展特性截然不同：高速雙軸銅纜的距離限制在米級，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。隨著光引擎靠近芯片，類似原理也可應用于數據中心光子學。

一旦光學足夠靠近芯片，消除長電氣路徑，大量重定時與編碼開銷就會消失。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（CPO）？

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。

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，這一架構轉變更加清晰：圖 4 展示了光引擎如何緊鄰 ASIC 封裝，光纖直接從基板輸出。

CPO 將電光轉換接口拉入封裝內部。光收發功能距離 ASIC 僅毫米級，而非在系統邊緣轉換信號。收益極為顯著：

• 電氣路徑大幅縮短

• 重定時與調理開銷降低

• 原本用于驅動長銅纜的大量芯片與功耗被消除

將共封裝光學理解為轉換位置的架構遷移，而非一項新功能，會更為準確。

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 就會發生。

在以下場景中，共封裝光學變得至關重要：

• 每一代迭代中銅材傳輸距離急劇縮短，引出布線受封裝限制

• 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

在多數情況下，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。

核心組件與待解決挑戰

實現共封裝光學需要多個關鍵要素：

• 支持光學的芯片與光子瓦片需緊鄰基板集成

• 通常需要外部激光器，將激光器置于封裝外以提升熱穩定性與長期可靠性

• 通過專用光纖路徑將光高效送入光引擎

下一代交換芯片與 GPU 集群的技術路線圖，已指向更高單封裝通道數。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 CPO？

共封裝光學的早期采用者，最有可能是超大規模云廠商與 AI 基礎設施建設者—— 帶寬密度與功耗效率是他們的核心訴求。

大型訓練集群、交換矩陣與低延遲敏感系統，將成為率先驗證 CPO 架構的場景。在這些環境中，即便每比特功耗或延遲小幅優化，在數千臺互聯設備規模化部署后，也能帶來顯著的系統級收益。

一旦光纖可直接從芯片引出，這項技術將具備廣泛適用性。剩余障礙是生態成熟度：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，而是封裝內高速互連的下一步演進。

銅材仍將不可或缺，尤其在供電與短距鏈路中；但在電氣開銷已無法合理化的場景，光學將成為必然選擇。

未來是混合架構：銅材與光纖共存，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 “把帶寬更靠近芯片” 的艱難道路上持續前行。