CPO（Co-Packaged Optics）とは何か：AIデータセンター相互接続におけるCPOの完全ガイド

技術的背景：AIコンピューティングクラスタによる光相互接続

従来のデータセンター相互接続における既存の限界

大規模言語モデル学習のためのGPUクラスタの大規模展開により、データセンターの伝送性能に対する要求が高まっています。従来のデータセンターでは、銅配線とプラグイン可能な光トランシーバの組み合わせが採用されていますが、これには3つの大きな技術的制約があります。第一に、プリント基板上の長距離銅伝送は大きな信号減衰を引き起こし、信号補償のためのデジタル信号プロセッサ（DSP）が必要となり、結果として比較的高い消費電力につながります。第二に、従来のスイッチのポート密度はフロントパネルのレイアウトによって物理的に制限されるため、100 Tb/sを超える帯域幅の反復をサポートすることが困難です。第三に、電気信号は不安定な遅延に悩まされ、大規模なGPU協調コンピューティング中の勾配同期効率が低下します。

大規模なGPUベースのAIコンピューティング施設では、光相互接続の消費電力は、総コンピューティング電力消費量の約10%を占めています。従来の相互接続ソリューションの固有の欠点がますます明らかになり、基盤となるアーキテクチャの最適化に対するニーズが高まっています。

CPO技術の産業的位置づけと開発

コパッケージドオプティクス（CPO）は、高度なパッケージングプロセスによって光コンポーネントとコンピューティングチップを統合する、異種光電子集積技術です。2026年は、CPOの商用化が初めて実現する年として広く認識されています。TSMCのCOUPE 3Dパッケージングプロセスの量産化と、BroadcomおよびNVIDIAによる商用スイッチの発売は、CPOが研究室での検証段階から産業展開段階へと移行することを示しています。ハイパースケールAIデータセンター向けの有望な技術ソリューションの一つとして、CPOは低消費電力、高帯域幅密度、そして安定した低遅延を両立させています。

CPOの概念：定義、設計ロジック、および技術的位置付け

学術的かつ平易な言葉による定義

● 学術的な定義：CPOは、2.5Dおよび3Dの高度なパッケージング技術を活用し、ASICスイッチやAIアクセラレータと同じパッケージング基板上にフォトニック集積回路（PIC）と電子集積回路（EIC）を統合します。これにより、電気的な相互接続がミリメートルレベルまで短縮され、従来のDSPリタイマーが不要になるため、チップレベルでの直接的な光電変換が実現します。

● 平易な言葉での説明：CPOは、外部光トランシーバーをスイッチチップに組み込むことで、チップと光ファイバー間の物理的な伝送距離を短縮します。冗長な信号処理コンポーネントを排除することで、ハードウェア伝送構造が簡素化され、電力効率とデータ伝送速度が向上します。

根底にある設計思想

CPOは、電気経路を短く、光経路を長くする という広く認知された設計原則に従っています。高周波安定性の低い電気信号は、銅線ベースの信号損失や歪みを避けるため、ミリメートルスケールの短距離伝送に限定されます。光ファイバーは、伝送の安定性とカバレッジを確保するために、長距離大容量データ伝送に適用され、現代のデータセンターの基本的な相互接続フレームワークを再構築します。

CPOコアバリューの定量的評価

従来のプラグイン式光モジュールと比較して、CPOは測定可能な性能向上を実現しています。相互接続時の消費電力は60～70%削減され、帯域幅密度は100%以上向上し、信号歪み率も低減されています。大規模なGPUクラスタにおいては、CPOは初期ハードウェア構築コストを3～21%削減し、長期的な運用コスト管理においてより顕著なメリットをもたらします。

CPOハードウェアアーキテクチャとコンポーネント分析

CPOシステムは、高密度光ルーティングのためのファイバーアレイユニット（FAU）やファイバーシャッフルなどのカスタマイズされた受動光アセンブリを含む、非常にコンパクトな異種統合物理構造を採用しています。個別のプラグイン式トランシーバーとは異なり、すべてのフォトニックおよび電子ダイは単一の有機パッケージ基板内に封入され、ミリメートルスケールの相互接続を備えた統合光電子共パッケージ構造を形成します。全体のハードウェア構造は、コンピューティング制御層、光電子変換層、光源供給層、光ファイバ伝送層の4つの相互独立かつ協調的に機能する層に分かれています。各層には、標準化されたダイ、高密度ファイバールーティングコンポーネント、受動光固定具、および熱伝導構造が含まれています。内部の物理構成、積層形態、および構造特性については、以下で詳しく説明します。

CPOにおける4つのアーキテクチャ層の紹介

CPOにおける6つのハードウェアコンポーネントの紹介

● スイッチASIC / AIアクセラレータ：コアとなるルーティングおよびコンピューティングチップ。Broadcom Tomahawk 6は102.4 Tb/sの帯域幅をサポートし、NVIDIA Quantum-Xは多様なコンピューティングネットワークシナリオ向けに51.2 Tb/sのInfiniBand伝送を提供します。

● フォトニック集積回路（PIC）：導波路、変調器、光検出器を集積したシリコンフォトニックチップ。主流の変調器には、マッハツェンダー変調器（MZM）、マイクロリング変調器（MRM）、電気吸収変調器（EAM）などがあります。MRMは低消費電力特性のため、商用製品に広く採用されています。

● 電子集積回路 (EIC)：SerDes、駆動制御、電源管理ユニットを組み込んだCMOSベースのチップで、ASICとPIC間の信号整合を保証します。

● 光エンジン：PIC、EIC、光ファイバーアレイを組み合わせた統合型光電子モジュールで、単一エンジンの帯域幅は1.6 Tb/sから6.4 Tb/sまでで、光電子変換の中核となるキャリアとして機能します。

●外部レーザー光源（ELS）：複数の波長出力に対応する個別のレーザーモジュール。Ayar Labs SuperNovaなどの代表的な製品は、16の波長チャンネルを提供します。外部構造により熱管理が最適化され、独立した交換が可能です。

● 光ファイバーコネクタ：エッジカップリングと表面カップリングの2種類があります。エッジカップリングは挿入損失が少なく、永久的な接合が可能です。表面カップリングは着脱式で、位置合わせの許容範囲が広くなっています。コーニング社のGlassBridgeやマーベル社の金属カプラは、主流の商用アクセサリです。

CPOパッケージング技術と信号伝送メカニズム

主流の包装技術とエンジニアリング上のトレードオフ

現在市販されているCPO製品は、主に2つの先進的な包装ソリューション、すなわち2.5D統合と3Dスタッキングを採用しています。それぞれのソリューションは、コストと性能において異なる特徴を持っています。

● 2.5D集積プロセス：EICとPICをシリコンインターポーザ上に並べて配置します。この成熟したプロセスは、製造コストが低く歩留まりが高いという特徴を持ちますが、寄生インダクタンスによって伝送性能は中程度になります。一般的に、第1世代のSantec CPOスイッチに代表される、中級クラスの商用スイッチに採用されています。

● 3Dハイブリッド積層プロセス：EICをPIC上に垂直に積層することで、電気伝送経路を最小限に抑え、低消費電力と高帯域幅を実現します。このプロセスは、技術的な難易度、製造コスト、放熱圧力の面で課題があります。TSMCのCOUPEプロセスは業界標準であり、NVIDIAやBroadcomのハイエンドCPOスイッチに採用されています。

4段階の信号伝送ワークフロー

CPO伝送システムは、冗長な信号処理手順のない簡素化されたリンクを特徴としています。伝送プロセス全体は、制御可能な全体遅延を備えた4つのフェーズで構成されています。

● 電気信号伝送：ASICチップは、パッケージ内部のミリメートルスケールの銅線を通してEICに高速電気信号を送信し、追加の信号補償なしで100～200Gb/sの単一チャネルレートを実現します。

● 光電変換：EICは内部PIC変調器を駆動して電気信号から光信号への変換を完了します。受信側では光検出器が逆復号を行い、双方向伝送をサポートします。

● 光信号伝送：光信号は、オンチップ導波路から光ファイバアレイに伝送され、その後、カプラを介して外部光ファイバリンクを介して長距離伝送されます。

●連続光供給：外部レーザーは安定した光ビームを出力し、光スプリッターを介して各光学エンジンに割り当てられることで、熱遮断とリソース冗長性を実現します。

CPOの技術的利点とエンジニアリング上の課題

主な技術的利点

● 低消費電力による運用コスト削減：従来の30Wのプラグイン式トランシーバーを9WのCPOリンクに置き換えることで、消費電力を約70%削減できます。スーパーコンピューティングクラスタ全体のネットワーク消費電力を3.5倍削減することが可能です。この省電力効果は、銅線伝送経路の短縮と高出力DSPチップの排除によるもので、大規模クラスタの長期的な電力および冷却コストを効果的に削減します。

● 超高帯域幅で物理的制約を打破：3D積層シリコンフォトニクス技術により、単一の光エンジンの最大帯域幅は6.4 Tb/sに達し、スイッチの帯域幅密度は51.2 Tb/sから102.4 Tb/sの範囲となります。CPOは、従来のスイッチのフロントパネルポートの制限を打破し、光エンジンを追加することで水平方向の帯域幅拡張を可能にし、AIコンピューティング能力の反復的なアップグレードに対応します。

● 分散コンピューティングにおける低遅延と高安定性：ミリメートルレベルの電気経路により、冗長な信号等化およびリタイミング処理が排除され、信号の完全性が向上します。マルチGPU協調トレーニングタスクにおいて、CPOは遅延変動を低減し、勾配同期の一貫性を高めることで、大規模モデルのトレーニング効率を最適化します。

● 大規模クラスタ構成に対応する柔軟なネットワーク：銅線ケーブルは高速伝送において1～2メートル以内の有効伝送距離しか維持できませんが、CPO光リンクはリピーターなしでラック間およびデータセンター間の長距離伝送をサポートします。柔軟なネットワークアーキテクチャは、ファットツリーやドラゴンフライなどの高性能トポロジーに対応し、数百万GPU規模のクラスタ構成要件を満たします。

既存の工学的制約とトレードオフ

● 厳しい放熱要件：シリコンフォトニックデバイスは温度変動に非常に敏感であり、変調器は温度変化によって波長ドリフトを起こしやすい。光エンジンと高発熱ASICの密集化により局所的な熱蓄積が生じ、従来の空冷では不十分となる。そのため、液体冷却用のコールドプレートが必要となり、ハードウェアの変更や構造の複雑化が進む。

● 高密度光ファイバーの複雑な運用：ハイエンドCPOスイッチは数万本の光ファイバーを搭載しており、ケーブル管理や曲げ半径の制御に課題が生じます。永久的に接合された光ファイバーは損失が少ないものの保守性が低く、着脱式コネクタは保守性は向上するものの挿入損失が増加します。業界では一般的に、伝送性能と運用上の難易度の間で妥協が求められます。

● 未成熟な製造・サプライチェーン：CPOはCMOS、シリコンフォトニクス、III-V族レーザー材料の異種統合を必要とするため、製品歩留まりが低い。光ファイバーと導波路間のミクロンレベルのアライメントが製造上のハードルを高くしている。専門的なシリコンフォトニクスファウンドリの数が限られているため、量産コストは比較的高水準にとどまっている。

●統一された産業規格の欠如：CPOの機械的インターフェース、光ファイバー規格、熱制御プロトコルに関する統一された仕様が存在しないため、ベンダーソリューション間で大きな差異が生じています。早期導入企業は、サプライヤーロックインのリスクや機器の互換性の低さに直面する可能性があります。OIFやOCI MSAなどの組織は、統一された産業規格の策定を推進しています。

● 短期的な調達コストが高い：複雑な製造工程と低い歩留まり率のため、CPOの単位ポートコストは現状では従来のプラグインモジュールよりも高くなっています。しかしながら、消費電力や拡張コストを含むライフサイクル全体を考慮すると、CPOはハイパースケールコンピューティングクラスタにおいて優れたコストパフォーマンスを発揮します。

FiberMart CPOソリューションズ

複合パッケージ光（CPO）は、AIコンピューティングインフラストラクチャやハイパースケールデータセンター向けの革新的な相互接続技術として、ますます注目を集めています。信頼できるグローバルサプライヤーであるFiberMartは、最新のCPOシステムの大規模な商用展開を支える高性能ファイバーアレイコンポーネントを提供しています。

FiberMartの製品ポートフォリオは、標準ファイバーアレイユニット（FAU）と偏波保持ファイバーアレイ（PMファイバーアレイ）の両方を網羅しています。高精度FAUは、フォトニックチップとファイバー回路間の安定した光結合を保証し、高速CPO伝送シナリオに最適化された一貫した光性能と長期的な動作耐久性を実現します。また、PMファイバーアレイは、主流の外部レーザー光源アーキテクチャ向けに設計されており、シリコンフォトニックデバイス固有の感度に対応するために偏波状態を効果的に安定化します。FiberMartは、カスタマイズ可能な多様な構成により、グローバルなCPOエコシステムの高まるニーズを満たす、最適化された市場投入可能なファイバーアレイソリューションを提供します。

● CPOシステム向け高精度FAU（ファイバーアレイユニット）

●偏波保持ファイバーアレイ（PM FA）

●  CPOユニット用光ファイバーシャッフルケーブル

データセンターにおけるCPOテクノロジーの概要

CPOは、データセンター相互接続における単なる技術的改良ではなく、極めて重要なアーキテクチャ最適化を意味します。従来の光モジュールが抱える高消費電力、帯域幅制限、信号歪みといった固有の欠点を根本的に解消し、数百万規模のGPUスーパーコンピューティングクラスターを支える重要なハードウェアとなります。しかし、放熱、メンテナンス、製造、標準化といった制約により、CPOは急速に普及することは難しく、今後10年間は​​プラグインモジュールやLPOと共存していくことになるでしょう。

2026年以降、産業の成熟と継続的なコスト削減に伴い、CPOはハイエンドコンピューティングの分野から商用データセンターへと徐々に浸透していくでしょう。長期的には、光エンジンをAIアクセラレータに直接組み込むことが産業の主流となり、エレクトロニクスとフォトニクスの境界を曖昧にし、汎用人工知能と大規模コンピューティングネットワークのためのハードウェア基盤を築くことになるでしょう。

よくある質問（FAQ）

Q1：CPOとプラグイン式光モジュールの主な違いは何ですか？

CPOは、光エンジンとASICを統合することで、電気経路をミリメートルレベルまで短縮し、DSPチップを排除することで、5～10 pJ/ビットの低消費電力を実現しています。プラグインモジュールは、電気経路が15～30cmで、信号補償にDSPを使用し、消費電力は15～20 pJ/ビットですが、ホットスワップや保守性に優れています。

Q2：なぜ主流のCPO製品は外部レーザー光源を採用するのですか？

レーザーは発熱量が大きく、故障率も比較的高い。外部配置により熱遮断と最適な熱管理を実現できる。また、レーザーの独立したホットスワップにより、機器を停止することなくメンテナンスが可能となり、システムの動作信頼性が向上する。

Q3：CPOはメンテナンスの難易度が高く、故障率も高いですか？

業界は技術的な改良を通じて保守性を最適化してきた。NVIDIAなどのベンダーは、故障時の部品交換を回避するために、取り外し可能なフォトニックコンポーネントを採用している。また、5～10%のポート冗長化メカニズムを適用することで、単一障害点のリスクを低減し、大規模展開における信頼性を向上させている。

Q4：LPOは主流のソリューションとしてCPOに取って代わることができるでしょうか？

LPOは、中低速の商用シナリオにおいて、コストとメンテナンス面で優位性を持つ。しかしながら、200G/400Gといった超高速シングルチャネルレートにおいては、LPOは信号補償能力が不十分であるため、CPOの極めて高い性能には及ばず、長期的な過渡的技術としての役割しか果たせない。

2026年5月18日、Francisco、  Fibermartによって投稿されました。すべての著作権は留保されています。