Co-Packaged Optics：當交換器開始「自帶眼睛」— AI 時代資料中心的新黑科技 #CPO #科技冷知識 #工程師日常 #科技趨勢 #AI時代 #黑科技 #未來科技 #科技觀察 #科技解密 #AI革命 #科技新知

 

如果你把 AI 資料中心想像成一座城市，那網路交換器就是高速公路交流道。

但問題來了。

過去幾十年，我們的資料中心網路基本上靠兩樣東西：

1. 銅線

2. 可插拔光模組

銅線就像城市裡的柏油路，短距離很好用，但如果車子（資料）越來越多、速度越來越快，很快就會塞車。

於是工程師想了一個問題：

「如果光模組不要插在外面，而是直接住進晶片旁邊呢？」

於是 Co-Packaged Optics（CPO） 就誕生了。

簡單說：

CPO = 把光通訊模組直接封裝在交換器晶片旁邊。

從此，交換器不只是「計算晶片」，還變成 自帶光學眼睛的怪物級設備。

一、CPO 的構成有哪些？

如果拆開一個 CPO 系統，你會發現它其實是一個 跨電子、光學、封裝三大世界的超級組合包。

我們可以把它分成 四大部分。

1 Switch ASIC（交換晶片）

整個 CPO 系統的核心就是：

Switch ASIC

這是負責資料交換的核心晶片，例如：

• 51.2 Tbps

• 102.4 Tbps

• 未來甚至 400 Tbps

典型產品例如：

• Broadcom Tomahawk

• NVIDIA Spectrum

• Marvell Teralynx

ASIC 負責處理：

• packet switching

• routing

• traffic scheduling

但 ASIC 有個問題：

I/O 頻寬需求爆炸。

AI cluster 一台交換器可能需要：

• 128 ports

• 每個 port 800G

這等於：

102.4 Tbps

如果全部用銅線，訊號會衰減到懷疑人生。

於是光學登場。

2 Photonic IC（PIC：光子晶片）

PIC 是 光世界的 CPU。

它負責：

• 光調變（modulation）

• 光偵測（photodetector）

• 波導（waveguide）

PIC 裡面通常包含：

• Mach-Zehnder modulator

• Ring modulator

• photodiode

簡單說：

PIC 的工作就是：

把電子訊號變成光。

再把光變回電子。

在 CPO 架構中，一個交換晶片周圍可能有：

• 4 個

• 8 個

• 16 個

光引擎（Optical Engine）。

3 Electronic IC（EIC：電路晶片）

光子晶片其實不能單獨工作。

它需要電子控制。

所以還需要一組電子晶片：

EIC。

EIC 包含：

• Laser Driver

• TIA（Transimpedance Amplifier）

• Modulator Driver

簡單翻譯：

元件	功能
Laser Driver	驅動雷射
TIA	接收光訊號
Driver	控制調變

PIC + EIC

一起構成：

Optical Engine

4 Laser（雷射）

這是光系統的「燈泡」。

但有趣的是：

很多 CPO 設計 不把雷射封裝進去。

原因很工程師：

雷射壽命比較短。

如果壞掉，整個交換器可能都要送修。

所以有些設計會：

• 外部雷射

• 光纖輸入

5 Advanced Packaging（先進封裝）

最後一個最容易被忽略的部分：

封裝技術

CPO 幾乎一定用：

• 2.5D

• 3D packaging

• silicon interposer

原因很簡單：

光晶片＋電子晶片要放在一起。

常見技術包括：

• CoWoS

• SoIC

• Hybrid bonding

這些技術能把距離從：

幾公分 → 幾毫米

電氣損耗直接下降。

二、關鍵零件有哪些？

如果只挑最關鍵的零件，基本上有五個：

1 Switch ASIC

整個系統核心。

2 Silicon Photonics PIC

光子整合晶片。

3 Optical Engine

光發射 / 接收模組。

4 Laser

光源。

5 Advanced Packaging

讓一切能放在一起。

如果缺任何一個：

CPO 就做不起來。

三、一家公司能全部做嗎？

理論上可以。

現實上：

幾乎不可能。

因為這個產業牽涉到：

• 半導體

• 光通訊

• 封裝

• 雷射

• 光纖

這五個產業鏈。

所以 CPO 產業基本上是：

跨產業聯盟。

典型合作模式：

類型	公司
ASIC	Broadcom / NVIDIA
PIC	Intel / Cisco / Marvell
Laser	Lumentum
封裝	TSMC
系統	Cisco / Arista

四、台灣有哪些相關產業？

台灣在 CPO 產業鏈其實非常完整。

甚至可以說：

幾乎整條供應鏈都在台灣。

1 晶圓代工

台灣最強的部分。

代表公司：

• 台積電

台積電正在發展：

Silicon Photonics

以及

COUPE photonics platform

用於 CPO 系統。

2 封裝

CPO 最依賴的技術之一。

代表公司：

• 日月光

• 矽品

• 力成

特別是：

• CoWoS

• 2.5D packaging

都是 AI 與 CPO 必備。

3 光通訊元件

台灣其實有不少公司。

例如：

• 聯亞光電

• 光聖

• 上詮

• 波若威

主要製作：

• 光收發模組

• 光纖元件

• 光學連接器

4 PCB / 載板

不要小看 PCB。

CPO 需要：

超高速載板

台灣廠商包括：

• 欣興

• 南電

• 景碩

5 AI 伺服器

最後是系統整合。

代表公司：

• 鴻海

• 緯創

• 廣達

• 緯穎

未來 AI cluster 很可能直接採用 CPO switch。

五、美國有哪些相關產業？

如果說台灣是 製造中心。

那美國就是 技術中心。

1 ASIC / Switch

代表公司：

• Broadcom

• NVIDIA

• Marvell

• Cisco

這些公司設計：

• 51.2T switch

• 102.4T switch

並推動 CPO adoption。

2 Silicon Photonics

美國其實是先驅。

代表公司：

• Intel

• Cisco

• Ayar Labs

Intel 是最早量產 silicon photonics 的公司之一。

3 Optical Engine

專門做光引擎的公司：

• Ayar Labs

• POET Technologies

他們做的是：

chiplet optical engine

4 Laser / 光元件

代表公司：

• Lumentum

• Coherent

負責：

• laser

• photonic devices

六、為什麼 CPO 會突然爆紅？

原因只有一個：

AI。

AI cluster 的 GPU 數量：

10,000
→ 100,000
→ 1,000,000

GPU 之間需要交換資料。

如果全部靠銅線：

功耗會爆炸。

傳統光模組功耗：

30W / port

CPO 可以降到：

約 9W / port。

這在 AI data center 是巨大差異。

七、CPO 的最大挑戰

雖然很酷，但也有幾個大問題。

1 維修困難

如果光模組壞了。

以前：

拔掉 → 換一個。

現在：

可能整台交換器要修。

2 散熱

光模組＋ASIC

都很熱。

設計非常困難。

3 產業標準

目前 CPO 還沒有完全統一標準。

很多公司：

各做各的。

END：光開始取代電

過去 40 年，

資料中心網路基本靠一樣東西：

銅線。

但 AI 的出現讓事情改變了。

資料量大到一個程度後，

電訊號已經開始跑不動。

於是工程師只好回到一個更古老的東西：

光。

但這次不同的是，

光不再只是外接模組。

而是直接進入晶片封裝。

換句話說：

未來的交換器可能不是電子設備。

而是：

半電子、半光學的混血怪物。

而 CPO，

就是這個新時代的起點。

如果說 GPU 是 AI 的肌肉，

那麼 CPO，

大概就是 AI 資料中心的 神經系統。

而這場光與電的融合革命，

才剛剛開始。