O que é CPO (Co-Packaged Optics): O Guia Completo de CPO na Interconexão de Data Centers com IA

Contexto técnico: Interconexão óptica impulsionada por clusters de computação de IA

Limitações existentes da interconexão tradicional de centros de dados

A implantação em larga escala de clusters de GPUs para o treinamento de grandes modelos de linguagem aumentou as exigências de desempenho de transmissão em data centers. Os data centers convencionais adotam uma combinação de trilhas de cobre e transceptores ópticos plugáveis , o que apresenta três limitações técnicas importantes. Primeiro, a transmissão de longa distância por cobre em placas de circuito impresso causa atenuação significativa do sinal, exigindo processadores de sinal digital (DSP) para compensação e resultando em consumo de energia relativamente alto. Segundo, a densidade de portas dos switches tradicionais é fisicamente limitada pelo layout do painel frontal, dificultando o suporte a iterações de largura de banda acima de 100 Tb/s. Terceiro, os sinais elétricos sofrem com latência instável, o que compromete a eficiência da sincronização de gradientes durante a computação colaborativa em larga escala com GPUs.

Em instalações de computação de IA de grande escala baseadas em GPUs, o consumo de energia da interconexão óptica representa aproximadamente 10% do consumo total de energia computacional. As desvantagens inerentes às soluções de interconexão tradicionais tornam-se cada vez mais evidentes, criando demanda por otimização arquitetônica subjacente.

Posicionamento Industrial e Desenvolvimento da Tecnologia CPO

A tecnologia Co-packaged Optics (CPO) é uma tecnologia de integração optoeletrônica heterogênea que integra componentes ópticos a chips de computação por meio de processos avançados de encapsulamento. O ano de 2026 é amplamente considerado o ano de comercialização inicial da CPO. A produção em massa do processo de encapsulamento 3D COUPE da TSMC e o lançamento de switches comerciais da Broadcom e da NVIDIA marcam a transição da CPO da verificação em laboratório para a implantação industrial. Como uma das soluções técnicas viáveis ​​para data centers de IA em hiperescala, a CPO equilibra baixo consumo de energia, alta densidade de largura de banda e baixa latência estável.

Conceitos de CPO: Definição, Lógica de Design e Posicionamento Técnico

Definição acadêmica e em linguagem simples

● Definição Acadêmica : Aproveitando as tecnologias avançadas de encapsulamento 2.5D e 3D, a CPO integra circuitos integrados fotônicos (PIC) e circuitos integrados eletrônicos (EIC) no mesmo substrato de encapsulamento de switches ASIC ou aceleradores de IA. Ela reduz as interconexões elétricas ao nível milimétrico e elimina os retimers DSP tradicionais para realizar a conversão optoeletrônica direta em nível de chip.

● Definição em linguagem simples : A tecnologia CPO incorpora transceptores ópticos externos em chips de comutação para reduzir a distância física de transmissão entre os chips e as fibras ópticas. Ao eliminar componentes redundantes de processamento de sinal, a estrutura de transmissão de hardware é simplificada, melhorando a eficiência energética e a velocidade de transmissão de dados.

Filosofia de Design Subjacente

A tecnologia CPO segue o princípio de projeto amplamente reconhecido de curto caminho elétrico e longo caminho óptico . Sinais elétricos com baixa estabilidade em altas frequências são confinados à transmissão em curta distância na escala milimétrica para evitar perdas e distorções de sinal inerentes ao cobre. Fibras ópticas são aplicadas para transmissão de dados de alta capacidade em longas distâncias, garantindo estabilidade e cobertura, reestruturando a infraestrutura fundamental de interconexão dos data centers modernos.

Avaliação quantitativa do valor central do CPO

Em comparação com os módulos ópticos plugáveis ​​convencionais, o CPO demonstra melhorias de desempenho mensuráveis: consumo de energia de interconexão reduzido em 60% a 70%, densidade de largura de banda aumentada em mais de 100% e taxa de distorção de sinal reduzida . Para clusters de GPUs de grande escala, o CPO ajuda a reduzir os custos iniciais de construção de hardware em 3% a 21% e oferece vantagens ainda mais significativas no controle de custos operacionais a longo prazo.

Análise de componentes e arquitetura de hardware do CPO

O sistema CPO adota uma estrutura física integrada heterogênea altamente compacta, contendo conjuntos ópticos passivos personalizados, como a Unidade de Matriz de Fibras (FAU) e o Embaralhador de Fibras, para roteamento óptico interno de alta densidade. Diferentemente dos transceptores plugáveis ​​discretos, todos os chips fotônicos e eletrônicos são encapsulados em um único substrato de embalagem orgânica, formando uma estrutura integrada optoeletrônica co-embalada com interconexões em escala milimétrica. A estrutura geral do hardware é dividida em quatro camadas funcionais independentes e colaborativas: camada de controle computacional, camada de conversão optoeletrônica, camada de fornecimento de luz e camada de transmissão de fibra óptica. Cada camada contém chips padronizados, componentes de roteamento de fibra de alta densidade, dispositivos ópticos passivos e estruturas de condução térmica. A composição física interna, a forma de empilhamento e as características estruturais são descritas em detalhes a seguir.

Introdução às quatro camadas arquitetônicas em CPO

Introdução aos seis componentes de hardware no CPO

● ASIC de comutação / Acelerador de IA : Chips essenciais para roteamento e computação. O Broadcom Tomahawk 6 suporta uma largura de banda de 102,4 Tb/s, enquanto o NVIDIA Quantum-X oferece transmissão InfiniBand de 51,2 Tb/s para diversos cenários de redes de computação.

● Circuito Integrado Fotônico (PIC) : Chips fotônicos de silício integrados com guias de onda, moduladores e fotodetectores. Os principais moduladores incluem Moduladores Mach-Zehnder (MZM), Moduladores de Micro-anel (MRM) e Moduladores de Eletroabsorção (EAM). O MRM é amplamente adotado em produtos comerciais devido às suas características de baixo consumo de energia.

● Circuito Integrado Eletrônico (EIC) : Chips baseados em CMOS com SerDes, controle de acionamento e unidades de gerenciamento de energia incorporados, garantindo a compatibilidade de sinal entre ASIC e PIC.

● Motor Óptico : Módulos optoeletrônicos integrados que combinam PIC, EIC e matrizes de fibra óptica, com largura de banda de motor único variando de 1,6 Tb/s a 6,4 Tb/s, servindo como o núcleo portador da conversão optoeletrônica.

● Fonte de laser externa (ELS) : Módulos de laser discretos que suportam saída em múltiplos comprimentos de onda. Produtos típicos, como o Ayar Labs SuperNova, oferecem 16 canais de comprimento de onda. A estrutura externa otimiza o gerenciamento térmico e permite a substituição independente.

● Conectores de fibra óptica : Divididos em soluções de acoplamento de borda e acoplamento de superfície. O acoplamento de borda apresenta baixa perda de inserção com ligação permanente; o acoplamento de superfície permite montagem removível e possui maior tolerância de alinhamento. Os acopladores metálicos Corning GlassBridge e Marvell são acessórios comerciais comuns.

Tecnologia de embalagem CPO e mecanismo de transmissão de sinal

Tecnologias de embalagem convencionais e compensações de engenharia

Os produtos CPO comerciais atuais adotam principalmente duas soluções avançadas de embalagem: integração 2.5D e empilhamento 3D. Cada solução possui características distintas em termos de custo e desempenho:

● Processo de integração 2.5D : O EIC e o PIC são colocados lado a lado em um interposer de silício. Este processo consolidado apresenta baixo custo de fabricação e alta taxa de rendimento, com desempenho de transmissão moderado devido à indutância parasita. É comumente aplicado em switches comerciais de gama média, como os switches CPO de primeira geração da Santec.

● Processo de empilhamento híbrido 3D : O EIC é empilhado verticalmente sobre o PIC para minimizar os caminhos de transmissão elétrica, resultando em menor consumo de energia e maior largura de banda. O processo enfrenta maior dificuldade técnica, custo de fabricação e pressão de dissipação de calor. O processo TSMC COUPE é a referência do setor, adotado por switches CPO de ponta da NVIDIA e da Broadcom.

Fluxo de trabalho de transmissão de sinal em quatro estágios

O sistema de transmissão CPO apresenta links simplificados sem procedimentos redundantes de processamento de sinal. O processo de transmissão completo inclui quatro fases com latência geral controlável:

● Transmissão de sinal elétrico : O chip ASIC transmite sinais elétricos de alta velocidade para o EIC através de linhas de cobre em escala milimétrica dentro do encapsulamento, com uma taxa de canal único que varia de 100 a 200 Gb/s sem compensação de sinal adicional.

● Conversão optoeletrônica : O EIC aciona moduladores PIC internos para completar a conversão do sinal eletro-óptico; fotodetectores realizam a decodificação reversa na extremidade receptora para suportar a transmissão bidirecional.

● Transmissão de sinal óptico : Os sinais ópticos são transmitidos de guias de onda no chip para matrizes de fibras ópticas e, em seguida, transmitidos por longas distâncias através de enlaces de fibra óptica externos via acopladores.

● Fornecimento contínuo de luz : Lasers externos emitem feixes de luz estáveis, que são alocados a cada motor óptico por meio de divisores ópticos para realizar o isolamento térmico e a redundância de recursos.

Vantagens técnicas e desafios de engenharia do CPO

Principais vantagens técnicas

● Baixo consumo de energia para redução de custos operacionais : Um transceptor plugável convencional de 30 W pode ser substituído por um link CPO de 9 W, reduzindo o consumo de energia em aproximadamente 70%. O consumo total de energia da rede em clusters de supercomputadores pode ser reduzido em 3,5 vezes. A economia de energia resulta da redução dos caminhos de transmissão em cobre e da eliminação de chips DSP de alta potência, diminuindo efetivamente os gastos com eletricidade e refrigeração a longo prazo em clusters de grande escala.

● Largura de banda ultra-alta que supera as limitações físicas : Com o suporte da tecnologia fotônica de silício empilhada em 3D, a largura de banda máxima de um único mecanismo óptico atinge 6,4 Tb/s, e a densidade de largura de banda do switch varia de 51,2 Tb/s a 102,4 Tb/s. O CPO rompe a limitação de portas do painel frontal dos switches tradicionais, permitindo a expansão horizontal da largura de banda pela adição de mecanismos ópticos para se adaptar às atualizações iterativas da capacidade de computação de IA.

● Baixa latência e alta estabilidade para computação distribuída : Caminhos elétricos em nível milimétrico eliminam processos redundantes de equalização e reajuste de tempo, melhorando a integridade do sinal. Em tarefas de treinamento colaborativo com múltiplas GPUs, o CPO reduz a flutuação da latência e aprimora a consistência da sincronização de gradientes para otimizar a eficiência do treinamento de modelos grandes.

● Rede flexível para layouts de clusters em larga escala : Cabos de cobre mantêm transmissão efetiva em alta velocidade apenas em distâncias de 1 a 2 metros, enquanto links ópticos CPO suportam transmissão de longa distância entre racks e data centers sem a necessidade de repetidores. A arquitetura de rede flexível se adapta a topologias de alto desempenho, como fat-tree e dragonfly, atendendo aos requisitos de layout de clusters de GPUs com milhões de unidades.

Restrições e compensações de engenharia existentes

● Requisitos rigorosos de dissipação de calor : Os dispositivos fotônicos de silício são altamente sensíveis a flutuações de temperatura, e os moduladores são propensos a desvios de comprimento de onda sob variações de calor. A estreita integração de motores ópticos e ASICs de alta dissipação de calor causa acúmulo localizado de calor, tornando o resfriamento a ar tradicional insuficiente. Placas frias para resfriamento líquido são necessárias, aumentando a modificação do hardware e a complexidade estrutural.

● Operação complexa de fibras ópticas de alta densidade : Os switches CPO de última geração são equipados com dezenas de milhares de fibras ópticas , o que traz desafios para o gerenciamento de cabos e o controle do raio de curvatura. As fibras ópticas permanentemente coladas apresentam baixa perda, mas baixa facilidade de manutenção; os conectores destacáveis ​​simplificam a manutenção, mas aumentam a perda de inserção. O setor geralmente busca um equilíbrio entre o desempenho da transmissão e a dificuldade operacional.

●  Fabricação e cadeia de suprimentos imaturas : A tecnologia CPO exige a integração heterogênea de CMOS, fotônica de silício e materiais laser III-V, resultando em baixo rendimento do produto. O alinhamento em nível micrométrico entre fibras ópticas e guias de onda eleva os limites de fabricação. O número de fundições profissionais de fotônica de silício é limitado, mantendo o custo de produção em massa em um nível relativamente alto.

● Ausência de padrões industriais unificados : Não existe uma especificação universal para interfaces mecânicas de CPO, padrões de fibra óptica e protocolos de controle térmico, o que leva a uma diferenciação significativa entre as soluções dos fornecedores. Os primeiros a adotar essas tecnologias podem enfrentar riscos de dependência de fornecedor e baixa compatibilidade de equipamentos. Organizações como a OIF e a OCI MSA estão promovendo a formulação de padrões industriais unificados.

● Alto custo de aquisição a curto prazo : Devido à complexidade de fabricação e à baixa taxa de rendimento, o custo unitário de portas CPO é superior ao dos módulos plugáveis ​​tradicionais no estágio atual. No entanto, o CPO apresenta melhor desempenho em termos de custo para clusters de computação em hiperescala quando avaliado sob a perspectiva de todo o ciclo de vida, incluindo consumo de energia e custos de expansão.

Soluções de CPO da FiberMart

A tecnologia Co-Packaged Optics (CPO) continua a ganhar força como uma tecnologia de interconexão transformadora para infraestrutura de computação de IA e data centers de hiperescala. Como fornecedor global confiável, a FiberMart oferece componentes de matrizes de fibra de alto desempenho que suportam a implantação comercial em larga escala de sistemas CPO modernos.

O portfólio da FiberMart abrange tanto Unidades de Matriz de Fibra padrão quanto Matrizes de Fibra com Manutenção de Polarização (PM). As FAUs de alta precisão garantem um acoplamento óptico estável entre os chips fotônicos e os circuitos de fibra, proporcionando desempenho óptico consistente e durabilidade operacional a longo prazo, ideal para cenários de transmissão CPO de alta velocidade. Complementarmente, as matrizes de fibra PM são projetadas para arquiteturas de fontes laser externas convencionais, estabilizando efetivamente os estados de polarização para acomodar a sensibilidade inerente dos dispositivos fotônicos de silício. Com configurações versáteis e personalizáveis, a FiberMart oferece soluções de matriz de fibra otimizadas e prontas para o mercado, atendendo às crescentes demandas do ecossistema CPO global.

● Unidade de matriz de fibra (FAU) de alta precisão para sistema CPO

● Matriz de Fibras com Manutenção de Polarização (PM FA)

●  Cabo de fibra óptica para unidade CPO

Resumo para Tecnologia CPO em Data Center

A tecnologia CPO representa uma otimização arquitetônica crítica, e não uma simples iteração técnica, para a interconexão de data centers. Ela mitiga fundamentalmente os defeitos inerentes aos módulos ópticos tradicionais, como alto consumo de energia, limitação de largura de banda e distorção de sinal, tornando-se um hardware essencial para suportar clusters de supercomputadores com GPUs em escala de milhões de unidades. Devido às limitações de dissipação de calor, manutenção, fabricação e padronização, a CPO não conseguirá se popularizar rapidamente e coexistirá com módulos plugáveis ​​e LPO na próxima década.

Com a maturidade industrial e a contínua redução de custos após 2026, a CPO (Optical Optic Optic) irá gradualmente se expandir, passando de cenários de computação de alto desempenho para data centers comerciais. A longo prazo, a incorporação de motores ópticos diretamente em aceleradores de IA se tornará a prática comum na indústria, diluindo a fronteira entre eletrônica e fotônica e estabelecendo uma base de hardware para inteligência artificial geral e redes de computação em larga escala.

Perguntas frequentes (FAQ)

P1: Quais são as principais diferenças entre módulos ópticos CPO e módulos ópticos plugáveis?

A tecnologia CPO integra motores ópticos com ASICs para encurtar os percursos elétricos ao nível milimétrico e eliminar os chips DSP, atingindo um consumo de energia de 5 a 10 pJ/bit. Os módulos plugáveis ​​possuem um percurso elétrico de 15 a 30 cm e dependem de DSP para compensação de sinal, com um consumo de energia de 15 a 20 pJ/bit, além de apresentarem vantagens em termos de troca a quente e facilidade de manutenção.

P2: Por que os principais produtos de CPO adotam fontes de laser externas?

Os lasers geram muito calor e apresentam taxas de falha relativamente altas. O posicionamento externo permite o isolamento térmico e a gestão térmica otimizada. Além disso, a troca a quente independente dos lasers possibilita a manutenção do equipamento sem necessidade de desligamento, melhorando a confiabilidade operacional do sistema.

P3: O CPO apresenta alta dificuldade de manutenção e taxa de falhas?

A indústria otimizou a facilidade de manutenção por meio de melhorias técnicas. Fornecedores como a NVIDIA adotam componentes fotônicos destacáveis ​​para evitar a substituição integral em caso de falhas. Um mecanismo de redundância de portas de 5% a 10% é aplicado para reduzir os riscos de falhas em um único ponto, aumentando a confiabilidade em implantações de grande escala.

Q4: O LPO pode substituir o CPO como a solução principal?

A LPO apresenta vantagens de custo e manutenção em cenários comerciais de velocidade média e baixa. No entanto, em taxas de canal único ultrarrápidas de 200G/400G, a LPO é limitada pela capacidade insuficiente de compensação de sinal e não consegue igualar o desempenho extremo da CPO, servindo apenas como uma tecnologia de transição a longo prazo.

Publicado em 18 de maio de 2026 por Francisco,  Fibermart . Todos os direitos reservados.