CPO 共同封裝光學：引爆數據傳輸革命，重塑 AI 與高效能運算未來

CPO 共同封裝光學是什麼？為何它如此關鍵？

想像一下，當城市交通系統無法應對日益增長的車流量時，會發生什麼情況，結果必然是無盡的擁塞與效率低落，現代數據中心與高效能運算（HPC）系統正面临類似的挑戰，資料量以驚人速度爆炸性成長，傳統的電子互連方式，就像老舊的城市道路，逐漸不堪重負。這正是共同封裝光學（Co-Packaged Optics, CPO）技術登場的時刻，它不僅僅是一種技術升級，更是一場旨在解決根本瓶頸的架構性革新。

CPO 的核心概念是將光學元件（負責光訊號的產生、調變、傳輸與接收）與電子晶片（如交換器 ASIC、CPU、GPU 或 AI 加速器）整合到同一個封裝基板上，甚至更緊密地結合，這與傳統將光學收發器模組（Pluggable Optics）插在交換器面板上的作法截然不同，透過大幅縮短電子訊號的傳輸路徑，CPO 得以顯著降低傳輸損耗、減少功耗，並大幅提升頻寬密度，從而突破長久以來限制系統性能的「I/O 牆」（Input/Output Wall）。在這個數據為王的時代，從雲端運算、巨量資料分析到複雜的 AI 模型訓練，都對數據傳輸的即時性與頻寬有著前所未有的渴求，CPO 正是應對此需求的關鍵解答。

核心原理深入解析：光電融合的最後一哩路

CPO 的運作原理，可以理解為在晶片周圍建構一條超高速的光學資訊公路，取代部分原先擁擠的電子通道。

1. 光電轉換的近接化：傳統架構中，電子訊號需在晶片上處理完畢後，再經過一段印刷電路板（PCB）上的路徑，到達面板上的光收發器模組，才轉換為光訊號傳輸，這段 PCB 路徑會造成訊號衰減與延遲，尤其在高頻寬需求下，問題更為嚴重。CPO 則將負責光電轉換的光學引擎（Optical Engine）或光子積體電路（Photonic Integrated Circuit, PIC）盡可能地靠近主要處理晶片，甚至整合在同一基板。
   

2. 矽光子技術的應用：矽光子（Silicon Photonics, SiPh）是實現 CPO 的關鍵推手，它利用成熟的互補式金屬氧化物半導體（CMOS）製程技術，在矽晶圓上製造光學元件，如光波導、調變器、偵測器等，這使得光學元件得以小型化、低成本化，並易於與電子晶片整合。
   

3. 外部雷射光源 (ELS) 或整合雷射：光訊號的產生需要雷射光源，目前 CPO 設計中，一種常見的方案是採用外部雷射光源（External Laser Source, ELS），透過光纖將雷射光導入封裝內部的光學引擎，再進行調變與傳輸，ELS 的優勢在於散熱管理較佳且易於更換，但也帶來了光纖連接的複雜性，另一種更前瞻的方案則是將雷射光源直接整合進封裝中，甚至與矽光子晶片整合，這能進一步提升整合度與效率，但對散熱與可靠性是巨大挑戰。
   

4. 高密度光學連接：CPO 封裝內部需要高密度的光學連接，將光訊號從光學引擎導出至外部光纖，這通常涉及先進的光纖陣列連接器與精密的對準技術。

透過這樣的設計，電子訊號只需在極短的距離內驅動光學元件，大幅降低了驅動功耗與訊號失真，實現了更高頻寬、更低延遲的數據傳輸。

關鍵技術細節與規格探討

CPO 的實現涉及多項複雜的技術整合，以下是一些關鍵的技術細節與考量的規格：

• 封裝技術：需要先進的 2.5D 或 3D 封裝技術，將 ASIC 晶片與多個光學引擎（或稱為 Chiplet）共同封裝在一個基板（Substrate）上，這對基板的佈線密度、散熱能力以及不同材料間的熱膨脹係數匹配（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）都提出了嚴苛要求。
  

• 光學引擎 (Optical Engine)：這是 CPO 的核心，整合了光調變器、光偵測器、波導等元件，其設計目標是在最小的體積內實現最高的頻寬與最低的功耗，常見的規格包括每通道速率（例如 100 Gbps/lane, 200 Gbps/lane）、總頻寬（例如 3.2 Tbps, 6.4 Tbps, 甚至未來 51.2 Tbps 的交換器 ASIC 可能搭配高達 12.8 Tbps 的 CPO）、以及每位元傳輸功耗（pJ/bit）。
  

• 雷射光源管理：如前述，ELS 是目前主流方案，需考慮雷射的波長穩定性、輸出功率、壽命以及與光學引擎的光路耦合效率，整合雷射雖然是未來趨勢，但其散熱、效率與可靠性仍是研發重點。
  

• 散熱管理：ASIC 晶片本身就是發熱大戶，而光學元件（尤其是雷射）對溫度變化非常敏感，在極小的空間內同時為兩者高效散熱，是 CPO 設計中最具挑戰性的課題之一，可能需要液冷等先進散熱技術。
  

• 光電介面 (Electrical-Optical Interface)：ASIC 晶片與光學引擎之間的高速電子介面標準，如 XSR (Extra Short Reach) 或 USR (Ultra Short Reach)，旨在最小化訊號傳輸距離與功耗。
  

• 測試與可靠性：將光學與電子元件高度整合後，測試變得更為複雜，需要新的測試方法學來確保每個組件及整體系統的良率與長期可靠性，光學元件的維護與替換也比傳統可插拔模組困難。
  

• 標準化進程：產業標準化對於 CPO 的大規模應用至關重要，相關組織如光學互連論壇（Optical Internetworking Forum, OIF）正積極推動 CPO 的實作協議（Implementation Agreements, IA），涵蓋光電介面、封裝形式、散熱方案等。

技術比較與優劣勢分析：CPO 的獨特定位

為了更清晰地理解 CPO 的價值，我們可以將其與現有的光互連技術進行比較。

特性	可插拔光模組 (Pluggable Optics)	板上光學 (On-Board Optics, OBO)	共同封裝光學 (Co-Packaged Optics, CPO)
與 ASIC 距離	最遠 (透過 PCB 走線至面板)	中等 (靠近 ASIC，仍在 PCB 上)	最近 (與 ASIC 在同一封裝基板)
頻寬密度	低	中	高
功耗	高	中	低
訊號完整性	較差	中等	佳
散熱複雜度	低 (模組獨立散熱)	中	高 (ASIC 與光學元件共同散熱)
可維護性/升級性	最佳 (熱插拔)	差 (焊接在板上)	差 (整合在封裝內)
成本 (初期)	中	較高	最高
成熟度	成熟	發展中	新興

CPO 優勢總結：

• 極高頻寬密度：因極短的電氣連接，可在有限空間內實現更高總頻寬。

• 顯著降低功耗：訊號傳輸距離縮短，驅動器功耗大幅下降，有助於降低數據中心整體功耗 (PUE)。

• 改善訊號完整性：減少 PCB 走線造成的訊號衰減和串擾。

• 系統級尺寸縮減：更緊湊的設計有助於提升伺服器和交換器的密度。

CPO 劣勢/挑戰：

• 散熱管理複雜：高功率 ASIC 與對溫度敏感的光學元件並存。

• 可維護性差：若光學元件故障，可能需要更換整個封裝，而非僅一個模組。

• 設計與製造成本高：涉及先進封裝、矽光子整合、精密對準等複雜工藝。

• 生態系統尚在發展：標準化、供應鏈成熟度、測試方案等仍在建構中。

製造或實作挑戰與研究突破

實現 CPO 的商業化量產，仍面臨諸多製造與實作上的挑戰：

1. 異質整合 (Heterogeneous Integration)：將不同材料體系（如矽基的 ASIC 與磷化銦基的雷射）、不同製程的光學與電子元件完美整合在同一封裝內，是極大的工藝挑戰，這需要精密的對準、鍵合技術，以及解決材料間 CTE 不匹配引發的應力問題。
   

2. 高精度光纖連接與對準：將外部光纖陣列與封裝內微小的光學引擎進行低損耗、高可靠性的連接，需要極高的對準精度（通常在次微米級別），這對自動化組裝設備與製程控制提出了高要求。
   

3. 散熱方案的創新：傳統風冷可能不足以應對 CPO 封裝的高熱流密度，研究方向包括更先進的微流道液冷、浸沒式冷卻，以及在材料層面提升導熱效率。
   

4. 晶圓級光學測試 (Wafer-Level Optical Testing)：為了降低後段封裝測試的成本並提升良率，開發在晶圓階段就能對光學元件進行有效測試的方法至關重要。
   

5. 雷射光源的可靠性與效率：特別是對於整合型雷射，如何在 ASIC 的高溫環境下長時間穩定工作，並保持高光電轉換效率，是持續的研究焦點，材料科學的突破（如量子點雷射）被寄予厚望。
   

6. 標準化與供應鏈協同：CPO 涉及晶片設計、光學元件、封裝、測試等多個環節，需要產業鏈上下游企業的緊密合作以及統一標準的建立，才能加速技術成熟與成本下降。

研究突破方面，學術界與產業界正積極探索新型態的矽光子調變器（如環形諧振器、馬赫-曾德爾干涉儀的優化）、更低損耗的波導材料與設計、以及更高效的雷射耦合方案，3D 堆疊技術也被視為未來進一步提升 CPO 整合度與性能的潛力方向。

應用場景與市場潛力

CPO 技術的市場潛力巨大，主要驅動力來自於對更高頻寬、更低功耗互連解決方案的迫切需求。

• 大型數據中心：這是 CPO 最主要且最先落地的應用場景，隨著交換器 ASIC 的頻寬從 25.6T 邁向 51.2T 甚至 102.4T，傳統可插拔光模組在面板密度、功耗牆方面已達極限，CPO 為下一代數據中心網路架構（如機櫃頂部交換器 ToR、葉脊 Leafs-Spine 架構）提供了可行的升級路徑，能夠顯著提升機櫃的運算與交換密度，降低整體營運成本。
  

• 高效能運算 (HPC)：HPC 系統需要處理極端複雜的科學計算與模擬，節點間的通訊頻寬與延遲至關重要，CPO 可以為 HPC 叢集提供更高效的互連，加速資料交換，提升整體運算效能。
  

• 人工智慧與機器學習 (AI/ML)：AI 模型訓練（如大型語言模型 LLM）需要龐大的 GPU/TPU 叢集進行分散式運算，訓練過程中產生海量的數據需要在加速器之間高速傳輸，CPO 能夠有效緩解 AI 晶片間的通訊瓶頸，提升訓練效率，並降低 AI 基礎設施的能耗。
  

• 感測器融合與邊緣運算：雖然不是初期主要市場，但未來隨著 CPO 技術的成熟與成本降低，也有潛力應用於需要高頻寬、低延遲數據傳輸的進階感測器系統（如自動駕駛的 LiDAR）或高性能邊緣運算節點。
  

• 系統解構 (Disaggregated Systems)：CPO 有助於實現伺服器元件（CPU、記憶體、儲存、加速器）的進一步解構與資源池化，透過高速光互連將這些分離的元件連接起來，可以更靈活地配置與升級系統資源。

市場研究機構普遍預測，CPO 市場將在未來幾年內快速成長，尤其在 2025 年後，隨著 51.2T 及更高頻寬交換器的部署，CPO 的滲透率將顯著提升。

未來發展趨勢與技術展望

CPO 技術仍在高速演進中，未來的發展將聚焦於更高的整合度、更低的功耗與成本，以及更廣泛的應用。

1. 更高層次的整合：目前的 CPO 通常是 2.5D 封裝，未來可能朝向將光學 I/O 功能更直接地整合到 ASIC 晶片內部（例如，透過 3D 堆疊將光學層與邏輯層結合），甚至實現「片上光學互連」（On-Chip Optical Interconnects），徹底消除晶片內部的電氣瓶頸。
   

2. 整合雷射的成熟化：雖然外部雷射光源（ELS）是當前的主流，但業界持續投入研發高效率、高可靠性且能與矽光子製程兼容的整合雷射技術，這將進一步簡化 CPO 封裝，降低功耗和成本。量子點雷射等新技術展現了良好前景。
   

3. 晶圓級光學方案：包括晶圓級光學元件製造、晶圓級測試、甚至晶圓對晶圓（Wafer-to-Wafer）的光學鍵合，這些都是為了實現規模經濟、降低成本的關鍵方向。
   

4. AI 驅動的設計與優化：利用 AI/ML 演算法來優化光學元件設計、光路佈局、以及複雜系統的熱管理與訊號完整性分析，加速 CPO 技術的研發週期。
   

5. 新材料與新原理的探索：除了矽光子，研究人員也在探索其他潛在材料體系（如薄膜鈮酸鋰 LNOI）和物理原理，以實現性能更優越的光調變器和光偵測器。
   

6. 標準化與生態系的完善：隨著技術的發展，將會有更多關於 CPO 設計、介面、測試和可靠性的行業標準出爐，一個健康且協同的供應鏈生態系統是 CPO 廣泛採用的基石。

CPO 不僅僅是解決當前數據傳輸瓶頸的手段，它更可能催生全新的運算架構和應用，例如光子運算（Photonic Computing）或量子運算中的光學控制，其長遠影響值得期待。

結論：CPO 正引領光電融合新紀元

回顧我們最初提出的問題：面對洶湧而來的數據洪流，傳統的互連方式已顯疲態，CPO 共同封裝光學技術，以其將光學元件與電子晶片在封裝層級進行前所未有緊密整合的創新思路，為這個時代的難題提供了一個極具潛力的答案，它透過大幅縮短電訊號路徑，實現了更低的功耗、更高的頻寬密度與更優的訊號完整性。

儘管在散熱、製造、成本與標準化等方面仍面臨挑戰，但 CPO 所展現的巨大優勢，使其成為支撐下一代數據中心、高效能運算以及 AI 基礎設施不可或缺的關鍵技術，它不僅是摩爾定律在互連領域的延伸，更是光電融合走向極致的必然趨勢，我們可以預見，隨著技術的持續突破與生態系統的成熟，CPO 將深刻改變未來資訊基礎設施的面貌，為數位世界的加速發展注入強勁的光之動力。