¿Qué es CPO (Óptica Co-empaquetada)? La guía completa de CPO en la interconexión de centros de datos de IA.

Antecedentes técnicos: Interconexión óptica impulsada por clústeres de computación de IA

Limitaciones existentes de la interconexión de centros de datos tradicionales

El despliegue a gran escala de clústeres de GPU para el entrenamiento de modelos de lenguaje de gran tamaño ha elevado los requisitos de rendimiento de transmisión en los centros de datos. Los centros de datos convencionales emplean una combinación de pistas de cobre y transceptores ópticos conectables , que presentan tres limitaciones técnicas importantes. En primer lugar, la transmisión de cobre a larga distancia en placas de circuitos impresos provoca una atenuación significativa de la señal, lo que requiere procesadores de señal digital (DSP) para la compensación de la señal y resulta en un consumo de energía relativamente alto. En segundo lugar, la densidad de puertos de los conmutadores tradicionales está físicamente limitada por la disposición del panel frontal, lo que dificulta la compatibilidad con iteraciones de ancho de banda superiores a 100 Tb/s. En tercer lugar, las señales eléctricas sufren de latencia inestable, lo que compromete la eficiencia de sincronización de gradientes durante la computación colaborativa de GPU a gran escala.

En las instalaciones de computación de IA a gran escala basadas en GPU, el consumo de energía de la interconexión óptica representa aproximadamente el 10 % del consumo total de energía de computación. Las desventajas inherentes de las soluciones de interconexión tradicionales se hacen cada vez más evidentes, lo que genera la necesidad de optimizar la arquitectura subyacente.

Posicionamiento industrial y desarrollo de la tecnología CPO.

La óptica coempaquetada (CPO) es una tecnología de integración optoelectrónica heterogénea que integra componentes ópticos con chips informáticos mediante procesos de empaquetado avanzados. Se considera que el año 2026 marcó el inicio de la comercialización de la CPO. La producción en masa del proceso de empaquetado 3D COUPE de TSMC y el lanzamiento de conmutadores comerciales de Broadcom y NVIDIA marcan la transición de la CPO de la verificación en laboratorio al despliegue industrial. Como una de las soluciones técnicas viables para centros de datos de IA a hiperescala, la CPO ofrece un equilibrio entre bajo consumo energético, alta densidad de ancho de banda y baja latencia estable.

Conceptos de CPO: Definición, lógica de diseño y posicionamiento técnico

Definición académica y en lenguaje sencillo

● Definición académica : Aprovechando las tecnologías avanzadas de empaquetado 2.5D y 3D, CPO integra circuitos integrados fotónicos (PIC) y circuitos integrados electrónicos (EIC) en el mismo sustrato de empaquetado de conmutadores ASIC o aceleradores de IA. Reduce las interconexiones eléctricas al nivel milimétrico y elimina los retemporizadores DSP tradicionales para lograr una conversión optoelectrónica directa a nivel de chip.

● Definición en lenguaje sencillo : CPO integra transceptores ópticos externos en los chips de conmutación para reducir la distancia de transmisión física entre los chips y las fibras ópticas. Al eliminar los componentes de procesamiento de señal redundantes, se simplifica la estructura de transmisión del hardware para mejorar la eficiencia energética y la velocidad de transmisión de datos.

Filosofía de diseño subyacente

CPO sigue el principio de diseño ampliamente reconocido de trayectoria eléctrica corta y trayectoria óptica larga . Las señales eléctricas con baja estabilidad a altas frecuencias se limitan a la transmisión a corta distancia en la escala milimétrica para evitar la pérdida y distorsión de la señal en las redes de cobre. Las fibras ópticas se utilizan para la transmisión de datos de alta capacidad a larga distancia, lo que garantiza la estabilidad y la cobertura de la transmisión, reestructurando así la infraestructura de interconexión fundamental de los centros de datos modernos.

Evaluación cuantitativa del valor central de CPO

En comparación con los módulos ópticos conectables convencionales, CPO demuestra mejoras de rendimiento medibles: el consumo de energía de interconexión se reduce entre un 60 % y un 70 %, la densidad de ancho de banda aumenta en más del 100 % y la tasa de distorsión de la señal disminuye . Para clústeres de GPU a gran escala, CPO ayuda a reducir los costos iniciales de construcción de hardware entre un 3 % y un 21 %, y ofrece ventajas más significativas en el control de los costos operativos a largo plazo.

Arquitectura de hardware y análisis de componentes de CPO

El sistema CPO adopta una estructura física integrada heterogénea altamente compacta, que contiene conjuntos ópticos pasivos personalizados, como la Unidad de Matriz de Fibra (FAU) y el Enrutador de Fibra para el enrutamiento óptico interno de alta densidad. A diferencia de los transceptores enchufables discretos, todos los chips fotónicos y electrónicos están encapsulados en un único sustrato de encapsulado orgánico, formando una estructura optoelectrónica integrada con interconexión a escala milimétrica. La estructura de hardware general se divide en cuatro capas independientes que funcionan de forma colaborativa: capa de control de computación, capa de conversión optoelectrónica, capa de suministro de luz y capa de transmisión de fibra óptica. Cada capa contiene chips estandarizados, componentes de enrutamiento de fibra de alta densidad, accesorios ópticos pasivos y estructuras de conductividad térmica. La composición física interna, la forma de apilamiento y las características estructurales se describen en detalle a continuación.

Introducción a las cuatro capas arquitectónicas en CPO

Introducción a seis componentes de hardware en CPO

● ASIC de conmutación / acelerador de IA : chips de enrutamiento y computación principales. Broadcom Tomahawk 6 admite un ancho de banda de 102,4 Tb/s, mientras que NVIDIA Quantum-X proporciona una transmisión InfiniBand de 51,2 Tb/s para diversos escenarios de redes informáticas.

● Circuito Fotónico Integrado (PIC) : Chips fotónicos de silicio que integran guías de onda, moduladores y fotodetectores. Los moduladores más comunes incluyen moduladores Mach-Zehnder (MZM), moduladores de microranillo (MRM) y moduladores de electroabsorción (EAM). Los MRM se utilizan ampliamente en productos comerciales debido a su bajo consumo de energía.

● Circuito Integrado Electrónico (EIC) : chips basados ​​en CMOS con SerDes integrado, unidades de control de accionamiento y de gestión de energía, lo que garantiza la coincidencia de señales entre el ASIC y el PIC.

● Motor óptico : Módulos optoelectrónicos integrados que combinan PIC, EIC y matrices de fibra óptica, con un ancho de banda de un solo motor que oscila entre 1,6 Tb/s y 6,4 Tb/s, que sirve como portador principal de la conversión optoelectrónica.

● Fuente láser externa (ELS) : Módulos láser discretos que admiten salida multilongitud de onda. Productos típicos como Ayar Labs SuperNova ofrecen 16 canales de longitud de onda. La estructura externa optimiza la gestión térmica y permite el reemplazo independiente.

● Conectores de fibra óptica : Se dividen en soluciones de acoplamiento de borde y de acoplamiento de superficie. El acoplamiento de borde ofrece baja pérdida de inserción con unión permanente; el acoplamiento de superficie permite el montaje desmontable y tiene mayor tolerancia de alineación. Los acopladores metálicos Corning GlassBridge y Marvell son accesorios comerciales de uso común.

Tecnología de envasado CPO y mecanismo de transmisión de señales

Tecnologías de envasado convencionales y compensaciones de ingeniería

Los productos CPO comerciales actuales adoptan principalmente dos soluciones de envasado avanzadas: integración 2.5D y apilamiento 3D. Cada solución tiene características diferenciadas en cuanto a coste y rendimiento:

● Proceso de integración 2.5D : El EIC y el PIC se colocan uno al lado del otro en un interponedor de silicio. Este proceso consolidado se caracteriza por su bajo coste de fabricación y alta tasa de rendimiento, con un desempeño de transmisión moderado debido a la inductancia parásita. Se aplica comúnmente en conmutadores comerciales de gama media, como los conmutadores Santec CPO de primera generación.

● Proceso de apilamiento híbrido 3D : El EIC se apila verticalmente sobre el PIC para minimizar las rutas de transmisión eléctrica, logrando un menor consumo de energía y un mayor ancho de banda. Este proceso presenta mayores dificultades técnicas, costes de fabricación y exige una mayor disipación de calor. El proceso TSMC COUPE es el referente del sector y ha sido adoptado por conmutadores CPO de gama alta de NVIDIA y Broadcom.

Flujo de trabajo de transmisión de señales en cuatro etapas

El sistema de transmisión CPO cuenta con enlaces simplificados sin procedimientos de procesamiento de señal redundantes. El proceso de transmisión completo incluye cuatro fases con latencia global controlable:

● Transmisión de señal eléctrica : El chip ASIC transmite señales eléctricas de alta velocidad al EIC a través de líneas de cobre de escala milimétrica dentro del paquete, con una velocidad de un solo canal que oscila entre 100 y 200 Gb/s sin compensación de señal adicional.

● Conversión optoelectrónica : El EIC controla los moduladores PIC internos para completar la conversión de señal electroóptica; los fotodetectores realizan la decodificación inversa en el extremo receptor para admitir la transmisión bidireccional.

● Transmisión de señales ópticas : Las señales ópticas se transmiten desde guías de onda integradas en el chip a conjuntos de fibra óptica y, posteriormente, se transmiten a largas distancias a través de enlaces de fibra óptica externos mediante acopladores.

● Suministro continuo de luz : Los láseres externos emiten haces de luz estables, que se distribuyen a cada motor óptico mediante divisores ópticos para lograr el aislamiento térmico y la redundancia de recursos.

Ventajas técnicas y desafíos de ingeniería del CPO

Principales ventajas técnicas

● Bajo consumo de energía para la reducción de costos operativos : Un transceptor enchufable convencional de 30 W puede reemplazarse por un enlace CPO de 9 W, lo que reduce el consumo de energía en aproximadamente un 70 %. El consumo total de energía de la red en clústeres de supercomputación puede reducirse 3,5 veces. El ahorro de energía se debe a la reducción del número de canales de transmisión de cobre y a la eliminación de chips DSP de alta potencia, lo que reduce eficazmente los gastos de electricidad y refrigeración a largo plazo en clústeres de gran escala.

● Ancho de banda ultra alto que supera las limitaciones físicas : Gracias a la tecnología fotónica de silicio apilado en 3D, el ancho de banda máximo de un solo motor óptico alcanza los 6,4 Tb/s, y la densidad de ancho de banda del conmutador varía de 51,2 Tb/s a 102,4 Tb/s. CPO supera la limitación de puertos del panel frontal de los conmutadores tradicionales, lo que permite la expansión horizontal del ancho de banda mediante la adición de motores ópticos para adaptarse a las actualizaciones iterativas de la potencia de cálculo de la IA.

● Baja latencia y alta estabilidad para computación distribuida : Las rutas eléctricas a nivel milimétrico eliminan los procesos redundantes de ecualización y resincronización de señales, mejorando la integridad de la señal. En tareas de entrenamiento colaborativo con múltiples GPU, CPO reduce la fluctuación de la latencia y mejora la consistencia de la sincronización del gradiente para optimizar la eficiencia del entrenamiento de modelos grandes.

● Redes flexibles para la configuración de clústeres a gran escala : Los cables de cobre solo mantienen una transmisión efectiva a alta velocidad en un radio de 1 a 2 metros, mientras que los enlaces ópticos CPO admiten la transmisión a larga distancia entre racks y centros de datos sin repetidores. La arquitectura de red flexible se adapta a topologías de alto rendimiento como fat-tree y dragonfly, cumpliendo con los requisitos de configuración de clústeres de GPU de millones de unidades.

Restricciones y compensaciones de ingeniería existentes

● Requisitos estrictos de disipación de calor : Los dispositivos fotónicos de silicio son muy sensibles a las fluctuaciones de temperatura, y los moduladores son propensos a la deriva de longitud de onda bajo variaciones térmicas. La estrecha integración de los motores ópticos y los ASIC de alta temperatura provoca una acumulación de calor localizada, lo que hace que la refrigeración por aire tradicional sea insuficiente. Se requieren placas de refrigeración líquida, lo que aumenta la modificación del hardware y la complejidad estructural.

● Operación compleja de fibras ópticas de alta densidad : Los conmutadores CPO de gama alta están equipados con decenas de miles de fibras ópticas , lo que plantea desafíos para la gestión del cableado y el control del radio de curvatura. Las fibras ópticas con unión permanente presentan bajas pérdidas, pero un mantenimiento deficiente; los conectores desmontables simplifican el mantenimiento, pero aumentan la pérdida de inserción. La industria generalmente busca un equilibrio entre el rendimiento de la transmisión y la dificultad operativa.

●  Fabricación y cadena de suministro inmaduras : La CPO requiere la integración heterogénea de CMOS, fotónica de silicio y materiales láser III-V, lo que resulta en un bajo rendimiento del producto. La alineación a nivel micrométrico entre fibras ópticas y guías de onda eleva los umbrales de fabricación. El número de fundiciones de fotónica de silicio profesionales es limitado, lo que mantiene el costo de producción en masa en un nivel relativamente alto.

● Ausencia de estándares industriales unificados : No existe una especificación universal para las interfaces mecánicas de CPO, los estándares de fibra óptica ni los protocolos de control térmico, lo que genera una diferenciación significativa entre las soluciones de los proveedores. Los primeros usuarios pueden enfrentarse a riesgos de dependencia de un proveedor y a una compatibilidad deficiente de los equipos. Organizaciones como OIF y OCI MSA promueven la formulación de estándares industriales unificados.

● Alto costo de adquisición a corto plazo : Debido a la complejidad de su fabricación y a su baja tasa de rendimiento, el costo unitario de los puertos CPO es mayor que el de los módulos enchufables tradicionales en la actualidad. Sin embargo, los CPO ofrecen un mejor rendimiento en términos de costos para clústeres de computación a hiperescala, considerando el ciclo de vida completo, incluyendo el consumo de energía y los costos de expansión.

Soluciones CPO de FiberMart

La tecnología Co-Packaged Optics (CPO) sigue ganando terreno como una tecnología de interconexión transformadora para la infraestructura de computación de IA y los centros de datos hiperescalables. Como proveedor global confiable, FiberMart ofrece componentes de fibra óptica de alto rendimiento que permiten el despliegue comercial a gran escala de sistemas CPO modernos.

El catálogo de FiberMart abarca tanto unidades de fibra óptica estándar como matrices de fibra óptica con mantenimiento de polarización (PM). Las FAU de alta precisión garantizan un acoplamiento óptico estable entre los chips fotónicos y los circuitos de fibra, ofreciendo un rendimiento óptico constante y una durabilidad operativa a largo plazo, optimizadas para escenarios de transmisión CPO de alta velocidad. Complementariamente, las matrices de fibra PM están diseñadas para arquitecturas de fuentes láser externas convencionales, estabilizando eficazmente los estados de polarización para adaptarse a la sensibilidad inherente de los dispositivos fotónicos de silicio. Con configuraciones versátiles y personalizables, FiberMart ofrece soluciones de matrices de fibra óptica optimizadas y listas para el mercado, que satisfacen las crecientes demandas del ecosistema CPO global.

● Unidad de matriz de fibra (FAU) de alta precisión para el sistema CPO

● Matriz de fibras con mantenimiento de polarización (PM FA)

●  Cable de fibra óptica para la unidad CPO

Resumen para CPO Technology en Centros de Datos

La CPO representa una optimización arquitectónica crucial, más que una simple iteración técnica, para la interconexión de centros de datos. Mitiga fundamentalmente los defectos inherentes de los módulos ópticos tradicionales, como el alto consumo de energía, la limitación del ancho de banda y la distorsión de la señal, convirtiéndose en un componente clave para clústeres de supercomputación GPU a escala de millones de unidades. Debido a las limitaciones de disipación de calor, mantenimiento, fabricación y estandarización, la CPO no podrá popularizarse rápidamente y coexistirá con los módulos conectables y la LPO durante la próxima década.

Con la madurez industrial y la continua reducción de costes a partir de 2026, la tecnología CPO se irá extendiendo gradualmente desde los entornos de computación de alta gama hasta los centros de datos comerciales. A largo plazo, la integración directa de motores ópticos en aceleradores de IA se convertirá en la norma industrial, difuminando la frontera entre la electrónica y la fotónica para sentar las bases de hardware para la inteligencia artificial general y las redes informáticas a gran escala.

Preguntas frecuentes (FAQ)

P1: ¿Cuáles son las principales diferencias entre los módulos ópticos conectables (CPO) y los módulos ópticos enchufables?

CPO integra motores ópticos con ASIC para acortar las rutas eléctricas a nivel milimétrico y eliminar los chips DSP, logrando un consumo de energía de 5 a 10 pJ/bit. Los módulos conectables tienen una ruta eléctrica de 15 a 30 cm y dependen de DSP para la compensación de señal con un consumo de energía de 15 a 20 pJ/bit, a la vez que ofrecen ventajas en cuanto a intercambio en caliente y facilidad de mantenimiento.

P2: ¿Por qué los productos CPO convencionales utilizan fuentes láser externas?

Los láseres generan mucho calor y presentan tasas de fallo relativamente altas. Su ubicación externa permite el aislamiento térmico y una gestión térmica optimizada. Asimismo, el intercambio en caliente independiente de los láseres facilita el mantenimiento del equipo sin necesidad de apagarlo, lo que mejora la fiabilidad operativa del sistema.

P3: ¿El CPO presenta una alta dificultad de mantenimiento y una elevada tasa de fallos?

La industria ha optimizado la facilidad de mantenimiento mediante mejoras técnicas. Proveedores como NVIDIA adoptan componentes fotónicos desmontables para evitar la sustitución completa en caso de fallos. Se aplica un mecanismo de redundancia de puertos del 5 % al 10 % para reducir los riesgos de fallos puntuales, lo que mejora la fiabilidad de las implementaciones a gran escala.

P4: ¿Puede LPO reemplazar a CPO como la solución principal?

LPO ofrece ventajas en cuanto a costes y mantenimiento en escenarios comerciales de velocidad media y baja. Sin embargo, a velocidades ultraaltas de un solo canal de 200G/400G, LPO se ve limitada por una capacidad de compensación de señal insuficiente y no puede igualar el rendimiento extremo de CPO, sirviendo únicamente como tecnología de transición a largo plazo.

Publicado el 18 de mayo de 2026 por Francisco,  Fibermart . Todos los derechos reservados.