文章来源：半导体产业纵横整理

随着数字数据流的速度与速率不断提升，PCB 走线带来的损耗日益成为瓶颈。通过共封装光学（CPO）将信号更靠近 ASIC，能够有效改善信号完整性。

数个世纪以来，通信速度一直受信息传输介质的限制。徒步信使、骑马驿者、远渡重洋的信件，距离与传输方式决定了极限。电报与电话的发明改变了这一切。当传输介质实现近乎瞬时传递后，限制便从传输转向了解码：摩斯电码操作员多快能解码信息，语音就能多快被理解。

在计算时代，互连技术大多隐于幕后。处理能力提升得如此之快，以至于机箱内部的铜质走线、背板与 PCB 布线也一直被认为 “速度足够”。如今，这一假设已不再成立。随着 AI 系统与超大规模架构不断推高带宽需求，传输介质重新成为决定性因素。信号损耗、高功耗的信号调理以及密度限制，意味着 PCB 已不再是最高速通信的天然通道。数据的传输方式，再次成为信息共享速度的核心。

这一瓶颈在纵向扩展的 GPU 集群、超大规模交换环境，以及当前大型数据中心正在建设的各类 AI 集群中尤为突出。在这样的带宽级别下，互连不再是设计边缘的细节，而是成为核心。功耗、信号完整性、密度与延迟，全都由比特在芯片间的传输方式决定。

CPO正是在这一背景下应运而生。 人们有时将其称为革命性变革，但其实它更适合被理解为渐进式演进。CPO并非与过去彻底割裂，而是迈向高速连接的下一步。这一趋势由数十年来塑造互连设计的相同工程压力所驱动。

在现代电子史的大部分时间里，PCB 与铜质背板构成了模块化电子系统的骨干。背板连接器、铜质走线与电气信令，让架构师能够构建大型、可维护的平台，使处理器、线卡与子系统在机箱内高效通信。

电信路由器与交换机使用这类基于铜的组件实现了良好扩展。连接器技术随芯片同步演进，引脚密度不断提升，阻抗控制不断优化，电气性能一代又一代地延续。多年来，铜材恰好满足工程师的需求：一种熟悉、易于制造、可靠且经济高效的介质。

但高速电气扩展的现实是，每一代新技术都对物理特性提出更高要求。最终，背板开始不堪重负。

随着数据速率持续攀升，电气传输的根本极限愈发难以忽视。损耗随频率快速上升，反射与不连续性危害加剧，串扰余量不断缩小。PCB 设计的物理现实，走线长度、过孔、连接器过渡与布线约束，开始主导链路预算。随着速率提升，损耗与抖动的共同效应开始使信号眼图闭合。

在较低速率下，这些问题通常可通过合理布局与适度均衡解决。但随着信令速率持续升高，系统复杂度不再用于传输数据，而是用于保护数据。

每一个新的速度里程碑都需要更多均衡、重定时器与更复杂的编码。这些技术有效，但会带来开销：更多功耗用于维持信号，更多芯片资源用于传输比特而非计算。

在大型多机箱系统中，铜材同样成为物理限制：重量、体积与传输距离限制迅速暴露。这是推动光纤进入视野的最早动力之一。在共封装光电器件出现之前很久，光纤就已成为电信路由器中铜材难以满足多机箱距离需求的实用方案。

行业最初的应对思路很直接：长电气路径是问题所在，那就缩短它。连接器从板边移向ASIC，减少电气传输距离，而非从板边发出高速信号。板中与近封装连接器架构缩短了电气路径，提升了信号完整性。

这一步在延长铜材使用寿命的同时增加了余量，但也带来新挑战：将连接器靠近芯片需要更严格的机械公差，装配更复杂，可维护性下降。每一次改进都伴随权衡，但创新仍在继续，下一步便是为最高速通道完全绕开PCB。

当 PCB 走线难以扩展时，许多设计者开始将高速信号引入芯片旁的铜缆组件。双轴同轴电缆等高性能线缆技术在高速率下优于长距离 PCB 走线，损耗特性更好、传输距离更远。

近芯片线缆让设计者摆脱长板上走线的限制。线缆通过更可控的介质传输信号，而非让铜材横穿整个 PCB 或背板。但随着更多高速通道离开 PCB 进入线缆，铜缆的体积与复杂度也随之增加。

遗憾的是，这仍是一种电气解决方案。尽管信道性能提升，但电气信令的根本开销并未消除：重定时器、编码复杂度与功耗依然存在。随着系统持续追求更高带宽密度，近芯片布线同样面临一个问题：在架构被信号调理主导之前，铜材还能被推到多远？

铜材创新并未止步于近芯片线缆。技术路线图继续向芯片靠近，甚至将高速电气连接直接从芯片基板引出。共封装铜技术进一步缩短走线长度，支持更高 I/O 密度。

然而，在这一尺度下，封装环境变得拥挤，热约束加剧，机械集成更精细，连接器密度逼近实际极限。尽管铜材仍可扩展，但每一次速度提升都会使余量进一步缩小。

铜材对于供电与许多短距互连仍然至关重要。电气领域的创新仍在继续，工程师已多次延长铜材的使用寿命。铜材与光学并行发展并非偶然：工程师清楚，尽管每一代信令都在压缩铜材的扩展空间，它仍将不可或缺。

光学进入系统设计并非因为工程师追求新奇。光纤最早被采用，是在铜材无法满足距离与扩展需求的场景。多机箱电信路由器便是最早的例子之一。在这些系统中，铜缆过于笨重、距离受限，而光纤支持更大、可扩展的架构，这是铜材难以实现的。

此后，光学开始向芯片靠近。板上光学缩短了高密度线卡系统内部的电气距离。随着带宽需求爆发，光学从小众方案变为必然选择。当系统用于修复电气信号的功耗超过传输数据本身的功耗时，光学就成为不可避免的选择。不是因为铜材失效，而是物理层面的权衡已不再合理。

当铜材系统逼近性能阈值时，问题不再是能为电气链路增加多少复杂度，而是另一种介质能否更自然地扩展。光纤与铜材的扩展特性截然不同：高速双轴铜缆的距离限制在米级，而光纤通常支持数百至数千米。光介质中的衰减与色散特性不同，光子学提供了电气传输难以高效实现的扩展潜力。

电信行业早已利用波分复用技术在单根光纤上承载多路信道，使带宽增长与物理介质本身无关。在这些系统中，扩展带宽通常只需要改变收发两端。随着光引擎向芯片靠近，类似原理也可应用于数据中心光电器件。

一旦光学足够靠近芯片，消除长电气路径，大量重定时与编码开销便会消失。这正是行业将重心转向CPO的关键原因。

传统上，光转换位于系统边缘的可插拔模块中。ASIC 通过 PCB 走线进行电气通信，光学仅出现在前面板。CPO改变了这一边界。从物理结构看，这一架构转变更加清晰，下图展示了光引擎如何移至 ASIC 封装旁，光纤直接从基板引出。

CPO 将电光接口移入封装环境内部。光收发功能不再位于系统边缘进行信号转换，而是距离 ASIC 仅毫米级别。收益十分显著：电气路径大幅缩短，重定时与调理开销降低，原本用于驱动长铜链路的大量芯片与功耗可被消除。

这里可以将CPO理解为转换位置的架构性转变，而非一项新功能。

大多数工程师采用光学并非出于跟风。当铜材传输距离在每一代迭代中持续缩水、引出布线受封装限制时，CPO就具备了现实意义。当单机架带宽超出前面板光学支持能力、每比特功耗成为硬性架构约束时，CPO 也会进入讨论范围。

在多数场景下，CPO并非要全面取代铜材，而是在芯片边缘距离、密度与功耗交汇的地方应用光学。

实现CPO需要多个关键要素：支持光学的芯片与光子模组必须集成在基板附近；通常需要外部光源，将激光器置于封装外以提升热稳定性与长期可靠性；光可通过专用光纤路径高效送入光引擎。

下一代交换芯片与GPU集群的路线图已指向更高的单封装通道数。连接器必须可分离、可维护，而非易损坏的永久装配。光纤到芯片的连接仍是最大挑战之一：以可制造、可拆卸的方式将数百根光纤连接到紧凑基板并非易事。CPO在技术上可行，但大规模部署的扩展仍是巨大障碍。

CPO 的早期采用者最有可能是超大规模云厂商与 AI 基础设施建设者，对他们而言，带宽密度与功耗效率至关重要。大型训练集群、交换矩阵与低延迟敏感系统将成为率先验证CPO架构的场景。在这些环境中，即便每比特功耗或延迟小幅优化，在数千台互联设备规模化部署后，也能带来显著的系统级收益。

一旦光纤可直接从芯片引出，这项技术便具备广泛适用性。剩余的障碍就在于生态成熟度：行业必须从生产数千套精密光子组件，扩展到数十万套基于CPO的系统。

CPO并非突然的革命，而是封装内部高速连接的下一步演进。铜材仍将至关重要，尤其在供电与短距链路中；但在电气开销不再合理的场景下，光学将成为必然选择。

未来是混合架构。铜材与光纤将共存，各自服务于最具工程合理性的应用场景，而系统架构师将继续在带宽向芯片不断靠近的道路上艰难前行。