NTT共封装光学（CPO）深度解析：技术背景、挑战与未来路径

在数据中心算力需求爆发的当下，高速互联技术成为制约性能突破的关键瓶颈。共封装光学（Co-Packaged Optics, CPO）作为一种将光引擎与芯片封装在一起的创新方案，被行业视为解决高带宽、低功耗需求的重要方向。本文基于NTT Innovative Devices的Wataru Ishida在2025年OCP APAC会议上的技术分享，系统梳理了CPO的技术背景、核心挑战、关键特性及未来前景。

一、NVLink的选择：为何铜缆仍是当前主流？ 在高速互联领域，NVLink作为GPU间的关键连接技术，选择铜缆而非光学器件并非偶然，其核心原因集中在功耗与可靠性两大维度。

◆ 功耗：光学器件的“能耗门槛” 英伟达CEO黄仁勋在2024年GTC大会上明确指出：“若NVLink采用光学器件，仅收发器和重定时器（retimer）的功耗就将高达20,000瓦”。这一数据直接揭示了当前光学方案在能效比上的短板——在短距离高带宽场景中，铜缆的功耗优势仍难以替代。 ◆ 可靠性：CPO尚未满足GPU需求 尽管CPO被视为降低能耗的潜力技术，但黄仁勋在2025年GTC大会上进一步强调：“共封装光学的可靠性仍不足以支撑GPU部署”。这一判断反映了CPO在稳定性上的现实瓶颈，也是其尚未大规模落地的核心障碍之一。 二、Scale-up vs Scale-out：两种网络架构的博弈

数据中心互联存在两种典型架构，其核心差异直接影响CPO的应用场景定位。 ◆ 带宽与可扩展性的显著分野 - Scale-up网络（如NVLink/SUE）：以NVLink Gen5为例，带宽可达7.2Tbps，适用于需要大规模算力聚合的场景（如AI训练集群），但规模受限（约72节点），且受铜缆传输距离限制（仅1.5米）。 - Scale-out网络（如IB/Ethernet）：以ConnectX-8为例，单链路带宽800Gbps，虽单链路带宽较低，但可扩展性极强（支持超10k节点），适用于分布式计算场景。 ◆ 同步风险：Scale-up网络的“阿喀琉斯之踵”

Scale-up网络依赖紧密同步的集合通信（如AllReduce），其致命弱点在于无故障转移机制——即使单条链路失效，整个操作也会中断，导致大规模GPU训练出现“ costly回滚”。数据显示，随着GPU数量从0增加到20,000，回滚开销占比最高可达25%，这对大规模训练的效率造成严重影响。 三、光模块可靠性：故障根源与量化分析 光学器件的可靠性是CPO落地的核心挑战，其故障模式与诱因需被清晰认知。 ◆ 故障根源：环境与器件本身的双重考验

- 首要原因：环境污染（灰尘、碎片）导致连接器污染，是收发器故障的主要诱因； - 次要原因：内部激光器故障，与工作环境（尤其是温度）密切相关。

四、温度对激光器寿命的致命影响

激光器的寿命与工作温度呈强相关性。基于Arrhenius模型的测算显示：在40℃下归一化为100 FIT的激光器，当温度升至100℃时，FIT值将飙升至5000，意味着寿命急剧缩短。这一特性对CPO的散热设计提出了严苛要求——如何将激光器与热源隔离，成为技术突破的关键。 五、Retimers、LPO与CPO：技术路径的对比

在高速互联技术演进中，Retimers、LPO（Linear Pluggable Optics）与CPO代表了不同的技术选择，各有其局限性与优势。 ◆ Retimers：性能与功耗的矛盾 Retimers的核心作用是恢复长PCB迹线上的信号质量，但作为模块的主要热源，其能效表现不佳——从100G/lane升级到200G/lane时，每比特功耗（pJ/bit）无显著改善，且激光器工作环境随代际升级持续恶化。 ◆ LPO：无Retimer的冒险尝试 LPO省去了Retimer，依赖Host ASIC的SerDes均衡技术，但在200G/lane场景下尚未经过充分验证，且信号余量更严格，互操作性难以保证，这使其大规模应用存在不确定性。 ◆ CPO的核心设计原则

CPO的突破点在于两点： 1. 信号清洁：将光引擎（Optical Engines, OEs）靠近ASIC，支持200G/lane及更高速率，最大限度减少信号损失； 2. 激光冷却：将激光器与热源（ASIC、OE）物理分离，确保其工作在低温环境，提升可靠性。 六、OE集成：两种维度的技术探索 光引擎（OE）的集成方式直接影响CPO的实用性，目前行业尚未形成标准，主要从安装方式与光纤耦合两个维度探索可能的方案。

如上表所示，每种方案均有权衡：例如Option A（焊接+连接器）可提升集成度，但单OE故障需更换整个模块；Option B（插座+尾纤）支持单独更换故障OE，良率更高，但设计复杂度增加。需根据目标场景（如scale-up）针对性优化。 七、集成模式：从传统到CPO的演进 不同技术路径对应不同的产业链集成模式，其核心差异体现在责任分工与灵活性上。 ◆ 传统模式：运营商主导的兼容性验证

运营商分别采购交换机和收发器，兼容性与系统级验证由运营商自行负责，供应链灵活但协同成本高。 ◆ LPO模式：协同难度陡增

虽集成逻辑与传统可插拔模块类似，但互操作性更难保证，需光模块厂商、设备厂商、运营商深度协同，看似平滑的过渡背后隐藏着巨大挑战。 ◆ CPO模式：两种选项的权衡

- Option A（焊接+连接器）：CPO模块预组装后交付设备厂商，因host ASIC成本高昂，需严格保障良率（单OE故障将导致整个模块报废）；运营商无插拔灵活性，但功能可靠性由设备厂商保障。

- Option B（插座+尾纤）：CPO模块与OE分别交付，设备厂商负责组装，单OE故障可单独更换，良率更高，对运营商而言与Option A无显著差异。 八、控制架构：软件与硬件的协同难题

CPO的控制架构需解决两个核心问题： 1. OE控制是否需兼容现有可插拔光模块标准（如支持CMIS寄存器映射）？ 2. OE控制应通过主机ASIC的SDK实现，还是独立处理（如在SONiC系统中通过SAI或xcvrd管理）？ 这些问题的答案尚无定论，但明确了一个原则：硬件接口设计与软件开发必须深度协同，才能实现CPO的高效管理。 九、CPO应用案例：102.4T以太网交换机

Broadcom基于Tomahawk 6芯片的102.4T以太网交换机，展示了CPO的实用化潜力： - 功耗降低50%：得益于高效直接液冷设计，同时冷却ASIC和光学器件； - 关键突破：采用插座接口光引擎，克服了CPO规模化部署的核心障碍。 十、CPO的未来：不可逆转的趋势与时间线 行业共识已明确：CPO是高速互联技术的必然方向，讨论焦点已从“是否需要CPO”转向“如何实施”（包括集成模式、控制架构、运营准备）。

OCP educational webinar的调查显示了行业对CPO部署时间的预期： - 2-5年内：49% - 2年内：39% - 已就绪：8% - 未来十年（或永不）：5% CPO的落地之路仍需跨越可靠性、集成标准、成本控制等多重障碍，但随着技术迭代与产业链协同的深化，其在数据中心大规模部署的曙光已现。对于行业而言，当下的核心任务是凝聚共识，推动标准化与实用化技术的突破，让CPO从“潜力技术”真正转化为“生产力工具”。