Co-Packaged Optics (CPO)-Technologie

Das exponentielle Wachstum von Workloads im Bereich Künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen führt weltweit zu einem Paradigmenwechsel in der Rechenzentrumsinfrastruktur. Während herkömmliche kupferbasierte Verbindungen den Anforderungen massiver GPU-Cluster kaum gerecht werden können, hat sich Co-Packaged Optics (CPO) als bahnbrechende Technologie etabliert, die beispiellose Bandbreite, reduzierte Latenz und erhebliche Energieeinsparungen bietet. Jüngste Durchbrüche in Design, Herstellung und Vermarktung von CPO werden die Zukunft des Hochleistungsrechnens und KI-gesteuerter Rechenzentren weltweit neu definieren.  

Der Aufstieg der CPO-Technologie

CPO steht für eine fortschrittliche Verpackungstechnologie, die optische Engines direkt mit Switch- oder Compute-Chips (ASICs) im selben Gehäuse integriert und so herkömmliche steckbare optische Module überflüssig macht. Durch die Verkürzung des Abstands zwischen elektrischen und optischen Komponenten minimiert CPO Signalverluste, senkt den Stromverbrauch um 30–50 % und ermöglicht höhere Datenraten von 1,6 Tbit/s bis 3,2 Tbit/s pro Port. Diese Innovation ist entscheidend für KI-Cluster, in denen Tausende von GPUs eine Kommunikation mit geringer Latenz und hoher Bandbreite benötigen. Durch die Verkürzung der elektrischen Leitungswege reduziert sich die Latenz um bis zu 60 %.  

Jüngste technologische Durchbrüche

Der Bereich Siliziumphotonik ist ein zentraler Bestandteil der jüngsten CPO-Entwicklungen. Weltweit führende Unternehmen wie Broadcom, NVIDIA und TSMC haben bei der Integration siliziumbasierter optischer Engines in Computerchips mithilfe von 2,5D- und 3D-Gehäusetechniken erhebliche Fortschritte erzielt. So erreicht beispielsweise Broadcoms CPO-Plattform der dritten Generation mithilfe von Siliziumphotonik und 2,5D-Integration Geschwindigkeiten von 200 Gbit/s pro Kanal und verdoppelt damit die Leistung der vorherigen Generation bei halbiertem Stromverbrauch. NVIDIAs Quantum-X InfiniBand-Switch nutzt die COUPE-Technologie von TSMC und unterstützt 144 Ports mit jeweils 800 Gbit/s, was einer Gesamtbandbreite von 115 Tbit/s entspricht. Dieser Switch verfügt außerdem über eine Flüssigkeitskühlung zur Bewältigung von Wärmelasten von über 1 kW/cm².  

Innovationen in der Laserbeschaffung und Glasfaserkonnektivität treiben den Fortschritt ebenfalls voran. CPO-Systeme sind auf externe Laserquellen angewiesen, um Stabilität zu gewährleisten und die Wartung zu vereinfachen. Polarisationserhaltende Fasern spielen hier eine entscheidende Rolle, da sie die Signalintegrität bewahren, indem sie die Laserpolarisationszustände über große Entfernungen aufrechterhalten. Unternehmen wie Sterlite Technologies Inc. (STI) haben spezielle, auf CPO zugeschnittene Glasfaservarianten entwickelt, darunter biegefeste Fasern für dichtes, komplexes Routing innerhalb von Switches.  

Hochdichte Glasfasermanagementlösungen sind für CPO-Switches zur Verwaltung Tausender Verbindungen unerlässlich. Glasfaser-Shuffleboxen und MPO/MTP-Stecker werden heute zur effizienten Organisation von Glasfaser-Arrays verwendet. Beispielsweise kann ein einzelner 51,2-T-CPO-Switch über 1.152 Fasern benötigen, die mit 72-Faser-MPO-Steckern verwaltet werden, um die Frontplatte übersichtlich zu halten. Flexible optische Backplanes ermöglichen ein anpassbares Glasfaser-Routing und erhöhen die Portdichte im Vergleich zu herkömmlichen Patchpanels um das 20-fache.  

Branchenakzeptanz und Kommerzialisierung

Der CPO-Markt befindet sich im Wandel von der Laborforschung hin zur großflächigen Bereitstellung, vorangetrieben von Technologiegiganten und Cloud-Anbietern. NVIDIA plant, seine CPO-basierten Quantum-X InfiniBand- und Spectrum-X Ethernet-Switches im Jahr 2026 auf den Markt zu bringen, die sich an KI-Rechenzentren richten. Broadcom arbeitet mit Delta Electronics und Foxconn zusammen, um kompakte, flüssigkeitsgekühlte CPO-Switches zu entwickeln, die den Stromverbrauch auf Systemebene um 40 % senken. Andere wichtige Akteure wie MACOM entwickeln CPO-Optik-Engines für 1,6T/3,2T-Anwendungen. Kommerzielle Muster werden bis 2026 erwartet. 

Marktausblick und Prognosen

Branchenanalysen zufolge werden die CPO-Lieferungen voraussichtlich exponentiell wachsen. Bis 2029 werden 3,2-T-Ports voraussichtlich die Marke von 10 Millionen Einheiten überschreiten. Dieses Wachstum wird durch den KI-Ausbau vorangetrieben, da Hyperscale-Rechenzentren CPO benötigen, um Cluster mit Millionen von GPUs zu unterstützen. Energieeffizienzauflagen treiben die Akzeptanz ebenfalls voran, da die Stromeinsparungen von CPO mit globalen Nachhaltigkeitszielen vereinbar sind und den PUE-Wert von Rechenzentren potenziell unter 1,1 senken. Kostensenkungen sind ein weiterer Faktor, da verbesserte Produktionserträge CPO erschwinglicher machen.  

Herausforderungen und zukünftige Richtungen

Trotz seiner vielversprechenden Eigenschaften steht CPO vor Hürden wie dem Wärmemanagement für Hochleistungs-ASICs und optische Komponenten, die fortschrittliche Kühllösungen wie Flüssigkeitskühlung erfordern. Standardisierungsbemühungen von Industriekonsortien wie OIF und CCITA zielen darauf ab, CPO-Standards für die Interoperabilität zu etablieren. Die Wartung stellt eine weitere Herausforderung dar, da das integrierte Design von CPO den Komponentenaustausch erschwert und Innovationen wie abnehmbare optische Engines erforderlich macht. Zukünftige Entwicklungen konzentrieren sich auf das Erreichen von Geschwindigkeiten von 400 Gbit/s pro Kanal bis 2026, gemeinsam verpackte Laser für eine stärkere Integration und optische I/O für die Chip-zu-Chip-Kommunikation.  

Warum dies für die globale Industrie wichtig ist

CPO ist nicht nur ein schrittweises Upgrade, sondern eine grundlegende Architekturänderung für Rechenzentren. Es ermöglicht nachhaltiges KI-Wachstum durch reduzierten Stromverbrauch, unterstützt die Wirtschaftlichkeit durch niedrigere Betriebskosten und positioniert Unternehmen, die heute in CPO investieren, als Vorreiter der nächsten Innovationswelle im Computerbereich. Diese Technologie ist entscheidend für den Erhalt des Wettbewerbsvorteils in der sich schnell entwickelnden digitalen Landschaft. 

Die CPO-gestützte Zukunft

Die CPO-Technologie wird zum Rückgrat KI-gesteuerter Rechenzentren und bietet unübertroffene Leistung und Effizienz. Branchenführer beschleunigen die Kommerzialisierung und regionale Akteure entwickeln Material- und Verpackungsinnovationen. CPO wird die Grenzen der Hochgeschwindigkeitsverbindungen neu definieren. Mit der flächendeckenden Einführung von CPO im Jahr 2026/27 wird ein neues Zeitalter der Rechenleistung und Nachhaltigkeit eingeläutet. Für Unternehmen und Investoren ist es wichtig, die Entwicklung von CPO zu verstehen, um Chancen in den Bereichen KI-Infrastruktur, Cloud-Dienste und Halbleiter-Ökosysteme zu nutzen.