Что такое CPO (Co-Packaged Optics): Полное руководство по CPO в системах межсоединений центров обработки данных для ИИ.

Техническая информация: Оптические межсоединения, работающие на основе вычислительных кластеров с искусственным интеллектом.

Существующие ограничения традиционных методов межцентрового взаимодействия

Масштабное развертывание кластеров графических процессоров для обучения больших языковых моделей повысило требования к производительности передачи данных в центрах обработки данных. Традиционные центры обработки данных используют комбинацию медных дорожек и подключаемых оптических трансиверов , что создает три существенных технических ограничения. Во-первых, передача данных на большие расстояния по медным печатным платам приводит к значительному затуханию сигнала, требуя использования цифровых сигнальных процессоров (DSP) для компенсации сигнала и, как следствие, к относительно высокому энергопотреблению. Во-вторых, плотность портов традиционных коммутаторов физически ограничена компоновкой передней панели, что затрудняет поддержку итераций полосы пропускания свыше 100 Тбит/с. В-третьих, электрические сигналы страдают от нестабильной задержки, что снижает эффективность синхронизации градиентов во время крупномасштабных совместных вычислений на графических процессорах.

В крупномасштабных вычислительных центрах, использующих графические процессоры для искусственного интеллекта, потребление энергии оптическими межсоединениями составляет приблизительно 10% от общего потребления вычислительной мощности. Присущие традиционным решениям межсоединения недостатки становятся все более очевидными, что создает потребность в оптимизации архитектуры.

Позиционирование и развитие технологии CPO в промышленности

Технология Co-packaged Optics (CPO) — это технология гетерогенной оптоэлектронной интеграции, которая объединяет оптические компоненты с вычислительными чипами посредством передовых процессов упаковки. 2026 год широко считается годом начала коммерциализации CPO. Массовое производство 3D-процесса упаковки TSMC COUPE и выпуск коммерческих коммутаторов от Broadcom и NVIDIA знаменуют переход CPO от лабораторной проверки к промышленному внедрению. Являясь одним из перспективных технических решений для гипермасштабных центров обработки данных с использованием искусственного интеллекта, CPO обеспечивает баланс между низким энергопотреблением, высокой плотностью полосы пропускания и стабильно низкой задержкой.

Концепция CPO: определение, логика проектирования и техническое позиционирование.

Академическое и простое определение

● Академическое определение : Используя передовые технологии 2.5D и 3D упаковки, технология CPO интегрирует фотонные интегральные схемы (PIC) и электронные интегральные схемы (EIC) на одной и той же подложке, что и ASIC-переключатели или ускорители искусственного интеллекта. Она сокращает электрические соединения до миллиметрового уровня и исключает традиционные ретаймеры DSP для реализации прямого оптоэлектронного преобразования на уровне чипа.

● Простое определение : Технология CPO встраивает внешние оптические приемопередатчики в микросхемы коммутаторов для уменьшения физического расстояния передачи между микросхемами и оптическими волокнами. За счет устранения избыточных компонентов обработки сигналов упрощается аппаратная структура передачи, что повышает энергоэффективность и скорость передачи данных.

Базовая философия дизайна

Технология CPO основана на широко признанном принципе короткого электрического пути и длинного оптического пути . Электрические сигналы с низкой стабильностью на высоких частотах передаются на короткие расстояния в масштабе миллиметров, чтобы избежать потерь и искажений сигнала в медных кабелях. Оптические волокна используются для передачи данных на большие расстояния с высокой пропускной способностью, обеспечивая стабильность и зону покрытия, что позволяет реструктурировать фундаментальную структуру межсоединений современных центров обработки данных.

Количественная оценка основных ценностей CPO

По сравнению с обычными подключаемыми оптическими модулями, CPO демонстрирует измеримое улучшение производительности: энергопотребление межсоединений снижается на 60–70%, плотность полосы пропускания увеличивается более чем на 100%, а уровень искажения сигнала снижается . Для крупномасштабных кластеров GPU CPO помогает сократить единовременные затраты на создание оборудования на 3–21% и обеспечивает более существенные преимущества в долгосрочном контроле эксплуатационных расходов.

Анализ аппаратной архитектуры и компонентов CPO

Система CPO использует высококомпактную гетерогенную интегрированную физическую структуру, содержащую специализированные пассивные оптические сборки, такие как блок волоконно-оптической разводки (FAU) и модуль перетасовки волокон (Fiber Shuffle), для внутренней плотной оптической маршрутизации. В отличие от дискретных подключаемых приемопередатчиков, все фотонные и электронные кристаллы заключены в единый органический корпус, образуя интегрированную оптоэлектронную структуру с межсоединениями миллиметрового масштаба. Общая аппаратная структура разделена на четыре взаимонезависимых и совместно функциональных слоя: слой управления вычислениями, слой оптоэлектронного преобразования, слой питания источника света и слой передачи по оптическому волокну. Каждый слой содержит стандартизированные кристаллы, компоненты высокоплотной маршрутизации волокон, пассивные оптические крепления и теплопроводящие структуры. Внутренний физический состав, форма сборки и структурные характеристики подробно описаны ниже.

Введение в четыре архитектурных уровня в CPO (Cost of Protection of Design)

Введение в шесть аппаратных компонентов в CPO

● Коммутатор ASIC / Ускоритель ИИ : Основные микросхемы маршрутизации и вычислительных ресурсов. Broadcom Tomahawk 6 поддерживает пропускную способность 102,4 Тбит/с, а NVIDIA Quantum-X обеспечивает передачу данных по InfiniBand со скоростью 51,2 Тбит/с для разнообразных сценариев использования вычислительных сетей.

● Фотоническая интегральная схема (PIC) : кремниевые фотонные чипы, интегрированные с волноводами, модуляторами и фотодетекторами. К основным модуляторам относятся модуляторы Маха-Цендера (MZM), микрокольцевые модуляторы (MRM) и электроабсорбционные модуляторы (EAM). MRM широко используются в коммерческих продуктах благодаря низкому энергопотреблению.

● Электронная интегральная схема (ЭИС) : микросхемы на основе КМОП-технологии, в которые встроены модули SerDes, управления приводом и управления питанием, обеспечивающие согласование сигналов между ASIC и PIC.

● Оптический модуль : Интегрированные оптоэлектронные модули, объединяющие PIC, EIC и массивы оптических волокон, с полосой пропускания одного модуля от 1,6 Тбит/с до 6,4 Тбит/с, служащие основным каналом оптоэлектронного преобразования.

● Внешний лазерный источник (ELS) : Дискретные лазерные модули, поддерживающие многоволновое излучение. Типичные продукты, такие как Ayar Labs SuperNova, обеспечивают 16 каналов по длине волны. Внешняя конструкция оптимизирует теплоотвод и поддерживает независимую замену.

● Оптические волоконные соединители : делятся на решения с краевым и поверхностным соединением. Краевое соединение отличается низкими потерями на входе и постоянным соединением; поверхностное соединение позволяет осуществлять разборную сборку и имеет более высокую точность выравнивания. Металлические соединители Corning GlassBridge и Marvell являются основными коммерческими аксессуарами.

Технология упаковки CPO и механизм передачи сигнала

Основные технологии упаковки и инженерные компромиссы

В современных коммерческих продуктах CPO в основном используются два передовых решения для упаковки: интеграция 2.5D и 3D-складирование. Каждое из этих решений имеет свои особенности с точки зрения стоимости и производительности:

● Процесс 2.5D-интеграции : EIC и PIC размещаются рядом на кремниевой межсоединительной плате. Этот отработанный процесс отличается низкой себестоимостью производства и высоким процентом выхода годных изделий, а также умеренными характеристиками передачи, обусловленными паразитной индуктивностью. Он широко применяется в коммерческих коммутаторах среднего ценового сегмента, представленных коммутаторами Santec CPO первого поколения.

● 3D-гибридный процесс многослойной компоновки : EIC вертикально размещается на PIC для минимизации путей передачи электрического тока, что обеспечивает более низкое энергопотребление и более высокую пропускную способность. Этот процесс сопряжен с большими техническими трудностями, высокой себестоимостью производства и большим давлением на теплоотвод. Процесс TSMC COUPE является отраслевым эталоном и используется в высокопроизводительных коммутаторах CPO от NVIDIA и Broadcom.

Четырехэтапный рабочий процесс передачи сигнала

Система передачи CPO отличается упрощенными каналами связи без избыточных процедур обработки сигналов. Полный процесс передачи включает четыре фазы с контролируемой общей задержкой:

● Передача электрических сигналов : микросхема ASIC передает высокоскоростные электрические сигналы на микросхему EIC по медным линиям миллиметрового сечения внутри корпуса со скоростью передачи данных по одному каналу от 100 до 200 Гбит/с без дополнительной компенсации сигнала.

● Оптоэлектронное преобразование : EIC управляет внутренними модуляторами PIC для выполнения электрооптического преобразования сигнала; фотодетекторы осуществляют обратное декодирование на приемной стороне для поддержки двунаправленной передачи.

● Оптическая передача сигналов : Оптические сигналы передаются от волноводов на кристалле к массивам оптических волокон, а затем передаются на большие расстояния по внешним оптоволоконным линиям связи через соединители.

● Непрерывная подача света : Внешние лазеры излучают стабильные световые лучи, которые распределяются между каждым оптическим модулем через оптические разветвители для обеспечения теплоизоляции и резервирования ресурсов.

Технические преимущества и инженерные проблемы CPO

Основные технические преимущества

● Низкое энергопотребление для снижения эксплуатационных расходов : Обычный 30-ваттный подключаемый трансивер может быть заменен на 9-ваттный канал связи CPO, что снижает энергопотребление примерно на 70%. Общее энергопотребление сети суперкомпьютерных кластеров может быть снижено в 3,5 раза. Энергосберегающий эффект достигается за счет сокращения медных линий передачи и исключения мощных DSP-чипов, что эффективно снижает долгосрочные затраты на электроэнергию и охлаждение для крупномасштабных кластеров.

● Сверхвысокая пропускная способность, преодолевающая физические ограничения : Благодаря технологии 3D-стекированной кремниевой фотоники максимальная пропускная способность одного оптического модуля достигает 6,4 Тбит/с, а плотность полосы пропускания коммутатора варьируется от 51,2 Тбит/с до 102,4 Тбит/с. Технология CPO преодолевает ограничения портов на передней панели традиционных коммутаторов, обеспечивая горизонтальное расширение полосы пропускания за счет добавления оптических модулей для адаптации к поэтапным обновлениям вычислительной мощности ИИ.

● Низкая задержка и высокая стабильность для распределенных вычислений : электрические цепи миллиметрового уровня исключают избыточные процессы выравнивания и синхронизации сигнала, повышая целостность сигнала. В задачах совместного обучения на нескольких графических процессорах CPO уменьшает колебания задержки и повышает согласованность синхронизации градиентов для оптимизации эффективности обучения больших моделей.

● Гибкая сетевая архитектура для крупномасштабных кластерных конфигураций : медные кабели обеспечивают эффективную передачу данных на высокой скорости только в пределах 1-2 метров, в то время как оптические каналы CPO поддерживают передачу данных на большие расстояния между стойками и центрами обработки данных без использования ретрансляторов. Гибкая сетевая архитектура адаптируется к высокопроизводительным топологиям, таким как fat-tree и dragonfly, и соответствует требованиям к компоновке кластеров с миллионами графических процессоров.

Существующие инженерные ограничения и компромиссы

● Строгие требования к отводу тепла : Кремниевые фотонные устройства очень чувствительны к колебаниям температуры, а модуляторы подвержены дрейфу длины волны при изменении температуры. Тесная интеграция оптических модулей и высокотемпературных интегральных схем приводит к локальному накоплению тепла, что делает традиционное воздушное охлаждение недостаточным. Требуется жидкостное охлаждение с помощью охлаждающих пластин, что увеличивает необходимость модификации оборудования и сложность конструкции.

● Сложная работа с оптическими волокнами высокой плотности : Высокопроизводительные коммутаторы CPO оснащены десятками тысяч оптических волокон , что создает проблемы с прокладкой кабелей и контролем радиуса изгиба. Оптические волокна с постоянным соединением отличаются низкими потерями, но плохой ремонтопригодностью; съемные разъемы упрощают обслуживание, но увеличивают потери на входе. В отрасли, как правило, приходится идти на компромисс между производительностью передачи и сложностью эксплуатации.

●  Незрелая производственная и логистическая цепочка : Технология CPO требует гетерогенной интеграции CMOS-технологий, кремниевой фотоники и материалов для лазеров на основе соединений III-V групп, что приводит к низкому выходу годной продукции. Выравнивание на микронном уровне между оптическими волокнами и волноводами повышает производственные пороги. Количество профессиональных предприятий по производству кремниевой фотоники ограничено, что поддерживает относительно высокую себестоимость массового производства.

● Отсутствие единых отраслевых стандартов : Отсутствует универсальная спецификация для механических интерфейсов CPO, стандартов оптического волокна и протоколов терморегулирования, что приводит к значительной дифференциации решений от разных поставщиков. Первые пользователи могут столкнуться с риском зависимости от поставщика и плохой совместимостью оборудования. Такие организации, как OIF и OCI MSA, содействуют разработке единых отраслевых стандартов.

● Высокая стоимость краткосрочных закупок : Из-за сложности изготовления и низкой производительности, себестоимость единицы порта CPO на данном этапе выше, чем у традиционных подключаемых модулей. Тем не менее, CPO демонстрирует лучшие показатели соотношения цены и качества для гипермасштабных вычислительных кластеров при оценке с точки зрения полного жизненного цикла, включая энергопотребление и затраты на расширение.

FiberMart CPO Solutions

Технология Co-Packaged Optics (CPO) продолжает набирать популярность как революционная технология межсоединений для вычислительной инфраструктуры искусственного интеллекта и гипермасштабных центров обработки данных. Будучи надежным глобальным поставщиком, FiberMart предлагает высокопроизводительные компоненты волоконно-оптических матриц, поддерживающие крупномасштабное коммерческое развертывание современных систем CPO.

Ассортимент продукции FiberMart включает как стандартные волоконно-оптические массивы (FAU), так и массивы волоконно-оптических матриц с сохранением поляризации (Polarization-Standing Fiber Arrays, FAU). Высокоточные FAU обеспечивают стабильную оптическую связь между фотонными чипами и волоконно-оптическими схемами, гарантируя стабильные оптические характеристики и долговременную эксплуатационную надежность, разработанные для высокоскоростных сценариев передачи данных в системах с поляризацией. Кроме того, массивы волоконно-оптических матриц с сохранением поляризации разработаны для распространенных архитектур внешних лазерных источников, эффективно стабилизируя поляризационные состояния для компенсации присущей кремниевым фотонным устройствам чувствительности. Благодаря универсальным настраиваемым конфигурациям FiberMart предлагает оптимизированные, готовые к выходу на рынок решения на основе волоконно-оптических массивов, отвечающие растущим потребностям глобальной экосистемы CPO.

● Высокоточный волоконно-оптический модуль (FAU) для системы CPO

● Волоконно-оптическая решетка с сохранением поляризации (PM FA)

●  Кабель Fiber Shuffle для блока CPO

Краткий обзор технологий CPO в центрах обработки данных

CPO представляет собой критически важную архитектурную оптимизацию, а не просто техническую итерацию для межсоединений центров обработки данных. Она принципиально устраняет присущие традиционным оптическим модулям недостатки, такие как высокое энергопотребление, ограничение полосы пропускания и искажение сигнала, становясь ключевым оборудованием, поддерживающим суперкомпьютерные кластеры с миллионами графических процессоров. Ограниченная теплоотводом, техническим обслуживанием, производством и стандартизацией, CPO не может получить быстрого распространения и будет сосуществовать с подключаемыми модулями и LPO в течение следующего десятилетия.

С развитием промышленного производства и непрерывным снижением затрат после 2026 года технология CPO постепенно проникнет из высокопроизводительных вычислительных сценариев в коммерческие центры обработки данных. В долгосрочной перспективе встраивание оптических модулей непосредственно в ускорители ИИ станет основным направлением в промышленности, размывая границы между электроникой и фотоникой и закладывая аппаратную основу для общего искусственного интеллекта и крупномасштабных вычислительных сетей.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: В чем заключаются основные различия между CPO и подключаемыми оптическими модулями?

Технология CPO интегрирует оптические модули с ASIC для сокращения электрических трактов до миллиметрового уровня и исключения микросхем DSP, обеспечивая энергопотребление 5-10 пДж/бит. Сменные модули имеют электрический тракт длиной 15-30 см и используют DSP для компенсации сигнала с энергопотреблением 15-20 пДж/бит, обладая при этом преимуществами в плане горячей замены и ремонтопригодности.

В2: Почему в основных продуктах CPO используются внешние лазерные источники?

Лазеры выделяют много тепла и имеют относительно высокий процент отказов. Внешнее размещение обеспечивает теплоизоляцию и оптимизированное управление тепловым режимом. В то же время, независимая «горячая» замена лазеров позволяет проводить техническое обслуживание оборудования без остановки, повышая надежность работы системы.

В3: Высока ли сложность технического обслуживания и частота отказов системы CPO?

В отрасли достигнута оптимизация ремонтопригодности за счет технических усовершенствований. Такие производители, как NVIDIA, используют съемные фотонные компоненты, чтобы избежать полной замены при отказах. Применяется механизм резервирования портов на 5-10% для снижения риска отказов в одной точке, что повышает надежность крупномасштабных развертываний.

Вопрос 4: Может ли LPO заменить CPO в качестве основного решения?

Технология LPO имеет преимущества с точки зрения стоимости и обслуживания в коммерческих сценариях со средними и низкими скоростями. Тем не менее, при сверхвысоких скоростях одноканального соединения 200G/400G технология LPO ограничена недостаточной возможностью компенсации сигнала и не может сравниться с экстремальными характеристиками технологии CPO, выступая лишь в качестве долгосрочной переходной технологии.

Опубликовано 18 мая 2026 г. Франсиско,  Fibermart . Все права защищены.