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光電共封裝（Co-Packaged Optics，CPO）是一種新型的光電子整合技術。光電共封裝基於先進封裝技術將光收發模組和控制運算的專用積體電路（ASIC）晶片異構整合在一個封裝體內，形成具有一定功能的微系統。
光電共封裝技術進一步縮短了光訊號輸入和運算單元之間的電學互連長度，在提高光模組和 ASIC 晶片之間的互連密度的同時實現了更低的功耗，是解決未來大資料運算處理中海量資料高速傳輸問題的重要技術途徑。
根據 Cisco 資料，2010—2022 年全球資料中心的網路交換頻寬提升了 80 倍，背後的代價是交換晶片功耗增加約 8 倍，光模組功耗增加 26 倍，交換晶片序列器/解串器（SerDes）功耗增加25 倍。由於光介面依賴於數模混合的 SerDes 技術，其能效演進低於 ASIC 部分，光介面的單位元成本和功耗下降的速率遠落後於交換機 ASIC 部分，為了進一步降低功耗，需要透過縮短 SerDes 的距離或者減少 SerDes 的數量來降低功耗，因此在光互聯的系統結構上出現了很多新型技術如 OBO、NPO、CPO 等。
AI 光通訊時代，CPO 迎三大產業變化
1、 變化 1：矽光技術加速發展，CPO 矽光光引擎不斷成熟
矽光光引擎作為 CPO 的技術核心，在 AI 光通訊時代加速成熟。矽光技術是實現光子和微電子整合的理想平臺。在當前“電算光傳”的資訊社會下，微電子/光電子其技術瓶頸不斷凸顯，矽基光電子具有和成熟的 CMOS 微電子工藝相容的優勢，有望成為實現光電子和微電子整合的最佳方案。矽光光引擎作為當前 CPO 光引擎的主流方案，矽光技術的成熟有望進一步帶動 CPO 的發展
（1）從矽光技術應用來看，矽光技術作為矽光光模組、CPO 和 OIO 光引擎底
層技術，高速時代基於矽光光通訊的拓展，有望進一步催化矽光光引擎技術成熟。
矽光作為光通訊技術，有望充分受益於 AIGC 的發展，矽光子技術在資料中心中芯片側的 OIO、裝置側 CPO、裝置間光模組以及資料中心間的相干光通訊都有望迎來進一步發展。
（2）從矽光發展節奏來看，全球企業積極推動矽光技術發展，矽光產業鏈進一
步完善。目前，矽光技術產業仍在發展，產業鏈不斷構建，已初步覆蓋了前沿技術研究機構、設計工具提供商、器件晶片模組商、Foundry、IT 企業、系統裝置商、用戶等各個環節。2010 年左右，矽光技術的研發體制開始由學術機構推進轉變為廠商主導。矽光子技術主要有以下幾種發展模式：
一是國家專案支援，如美國 2014 年發布“國家光子計劃”，出資打造整合光子工藝研究院，隨後在 2015 年投資 6.1 億美元成立整合光子學創新機構 AIM Pho.tonics，組織產業鏈各環節共同打造標準化的整合光子平臺。全球其他相關研究專案和機構，如歐盟 Leti 矽光光模組量產研究計劃等。
二是 Intel、IBM 等 IT 巨頭的投入，Intel、IBM 從 2003 年左右開始致力於矽光子技術研究，進行了長期、鉅額投入。三是小型初創公司早期靠風險資金進入，後期被大企業併購再持續投人，該模式已成為矽光子的一種重要發展模式。四是一些新崛起的初創公司，如 Acacia、SiFotonics 等。
（3）從矽光產業機會來看，矽光方案景氣度不斷提高，矽光技術有望成廠商切入CPO 產業契機。
第 25 屆中國國際光電博覽會（CIOE 2024）於 2024 年 9 月 11-13日在深圳國際會展中心舉辦。在 AI 的拉動下，從光電晶片及光器件/光引擎到光模組在向高速率方向快速升級，同時以矽光/CPO/薄膜鈮酸鋰/相干等為代表的新技術成熟度不斷提升，其中矽光技術成熟度和市場關注度顯著提升，眾多企業佈局矽光技術。
2、 變化 2：龍頭廠商積極佈局 CPO，進一步催化 CPO 產業發展
各大晶片廠商積極佈局 CPO 技術，矽光 CPO 原型機不斷推出。CPO 方案眾多，各大晶片廠商推出 CPO 方案，其中 Intel、Broadcom、Raonvus、AMD、Marvell、Cisco 等均有在近年 OFC 展上推出 CPO 原型機，不斷實現交換容量的提升和功耗的降低，Nvidia 及 TSMC 等廠商也展示了自己的 CPO 計劃。我們認為，一方面，其中基於矽光光引擎的 CPO 技術為主流方案，有望充分受益於矽光技術的發展；另一方面，龍頭廠商的入局，有望進一步加速 CPO 產業鏈的完善和發展。
Intel 一直致力於可插拔光模組和微環調製器技術的研究和開發，並在 2020 年後利用其矽光工藝平臺來搭建基於微環調製器的 CPO 系統。在“OFC 2020”會議上，Intel 推出首款 CPO 樣機，由 1.6Tbit/s 的矽光引擎與 12.8Tbit/s 的可程式設計乙太網交換機整合，並在架構設計上考慮了散熱。在 2024 年 IEEE ISSCC 上，Intel 公佈了其 CPO技術的最新進展，訊號傳輸速率達到 4x64Gb/s，同時保持了僅為 1.3pl/bit 的低系統功耗；Intel 和 Ayar Labs 合作多年，Supercomputing 2023 大會上展示了將 2 顆 4Tb/s頻寬的 TeraPHY OIO chiplet 嵌入到 Intel Agilex FPGA 中，並由兩個 SuperNova 光源支援每個 chiplet 上 8 根光纖的 64 個光通道的高速光通訊；
Broadcom 在“OFC 2022”會議上，博通推出了首款 CPO 交換機，將 25.6TbpsTomahawk4 交換晶片與光引擎相結合；2023 年推出 Strata Tomahawk XGS5，交換容量為 51.2Tbps，功耗僅為 5.5W，速率為 800Gbps；在“OFC 2024”會議上，Broadcom宣佈已向客戶交付了業界首款 51.2Tbps CPO 乙太網交換機—Bailly，該產品將八個基於矽光子的 6.4-Tbps 光學引擎與 StrataXGS Tomahawk5 交換晶片整合在一起，使光互連的功耗降低了 70%，矽面積效率提高了 8 倍；
Ranovus 在“OFC 2021”會議上釋出了 Odin 品牌模擬驅動 CPO 2.0 架構，該架構由 Ranovus、IBM、TE 和 Senko 共同開發，透過消除重定時功能和實施 IC 有效的單晶片解決方案，實現了 40%的功耗降低和成本節約；Ranovus 在“OFC 2023”上展示了將 800G 直驅矽光引擎與 AMD 的 FPGA 晶片相結合；
Marvell 在“OFC 2022”會議上展示了其首款 CPO 樣機，頻寬為 1.6Tbit/s；在“OFC 2023”會議上釋出了 51.2Tbit/s 的交換晶片；
Cisco 在“OFC 2023”上展示了基於 CPO 技術的 25.6T 交換機原型，有八個 3.2T矽光引擎，每個引擎配備八個 400G-FR4 矽光晶片，每個光引擎單通道 100Gbps。
Nvidia 一直在開發矽光 CPO，在“2020 GTC”會議上展示了一個透過 CPO 將GPU 和交換機晶片互連的系統架構圖，並與與臺積電、Ayarlabs 等公司積極合作開發 CPO 技術；
TSMC 於 2017 年開始與 Luxtera 合作開發了一個 65nm 節點的 12 英寸矽光子工藝平臺，隨後引入先進封裝，推出 COUPE1.0/2.0 平臺，在公佈的 CPO 發展路線計劃 2025 年實現 6.4Tbps 光引擎。
TSMC 宣佈推出 COUPE 平臺。TSMC 在 2024 年北美技術研討會上，披露了自身的 3D 光學引擎路線圖，並計劃為臺積電製造的處理器提供高達 12.8 Tbps 的光連接。由於銅纜訊號無法滿足不斷增長的頻寬需求，矽光子學將成為未來資料中心的一項關鍵技術。TSMC 的緊湊型通用光子引擎（COUPE）是矽光子學領域的重要成果之一。該技術採用 TSMC 的 SoIC-X 封裝技術，將電子積體電路（EIC）堆疊在光子積體電路（PIC）上，形成 EIC-on-PIC 結構。這種結構可以在模對模介面處實現最低的阻抗，從而實現最高的能效。此外，COUPE 還具備緊湊的整合設計、廣泛的波長相容性、高效的光電轉換以及可擴充套件性和靈活性等特點，使得它能夠支援多種光互聯應用，並滿足不同應用的需求。
目前，臺積電的 3D 光學引擎已經進入開發階段，未來將逐步提升傳輸速度並將光學連線更靠近處理器本身。COUPE 發展計劃有三個階段，每個階段都致力於提高傳輸速率和降低功耗：
（1）2025 年，TSMC 的第一代 3D 光學引擎將整合到執行速度為 1.6 Tbps 的OSFP 可插拔裝置中，兩倍於當前基於銅的乙太網解決方案的最高速率。第一代COUPE 不僅有望實現高頻寬，還有望提高電源效率，而這兩個問題是現代資料中心中亟待解決的關鍵問題。
（2）2026 年，TSMC 的第二代矽光產品計劃將 COUPE 整合到 CoWoS 封裝中，實現交換晶片及光學器件的共封裝，這將實現速度高達 6.4 Tbps 的主機板級光學互連，第二代功耗預計為第一代的 50%以下，延遲預計為第一代的 10%以下。
（3）第三代產品旨在整合到處理器封裝中，COUPE 執行在 CoWoS Interposer上，目標傳輸速率達 12.8 Tbps，同時使光學連線更接近處理器本身。此階段迭代仍處於探索階段，沒有明確的釋出時間，TSMC 表示正在考慮進一步降低功耗和延遲。
變化 3：AI 時代高速交換機需求增長，CPO 方案優勢不斷凸顯
CPO 交換機 AI 時代迎來產業機遇期。在光互連不斷穿透機架和計算系統的背景下，交換機作為光通訊網路系統中核心網路裝置，隨著全球 AI 的高速發展，AI叢集規模持續增長，AI 叢集網路對組網架構、網路頻寬、網路時延、功耗等方面提出更高要求，帶動交換機朝著高速率、多埠、低功耗等方向迭代升級，AI 時代 CPO方案交換機有望迎來產業機遇期。
AI 加速交換機頻寬發展，埠互聯速度快速迭代。自 2019 年後全球資料中心產業開始步入算力中心階段，根據 Cisco 資料，2010-2022 年全球資料中心網路交換頻寬提升了 80 倍，特別是近期 AIGC 的快速發展帶來網路架構的升級和 GPU 的加速迭代，進一步帶動裝置間更高的頻寬需求，2023 年作為 AI 元年，AI 在一半的時間內將互聯速度提升一倍，資料中心交換晶片的演化角度來看，目前進入每兩年翻一番的快速增長階段，預計 2025 年有望實現 102.4T 的容量，對應 1.6T 光口。
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