从"电"到"光"的算力突围！NPO、CPO与OIO技术全解析
从"电"到"光"的算力突围
NPO、CPO与OIO技术全解析
一、技术背景：算力时代的互连瓶颈
核心矛盾
● 芯片算力每两年翻一番
● 传统铜缆电互连难以满足高带宽、低功耗需求
● 数据传输互连技术成为关键瓶颈
数据中心算力需求持续攀升
技术演进方向：从"电互连"向"光互连"转型，核心战场是光电共封装技术
2026年关键节点
◆ 硅光方案高速爆发
◆ CPO网络导入起步
◆ 800G和1.6T光模块市场渗透加速
二、传统方案的困境
可插拔光模块的局限
| 问题 | 具体表现 |
|---|---|
| 距离远 | 光模块通过主板电路与芯片通信，传输路径长 |
| 功耗高 | 多次电信号转换导致能耗增加 |
| 损耗大 | 信号在传输过程中衰减明显 |
解决方案：将光引擎封装到更靠近计算芯片的位置，催生NPO和CPO技术
三、芯片级光互连技术分类
核心指标：光引擎与计算芯片的物理距离
距离越近，优势越大，技术挑战也越高
芯片级光互连技术持续演进
（一）NPO 近封装光学
Near-Packaged Optics
技术原理
光引擎不直接与计算芯片封装在同一基板上，而是并排安装在同一个载板上，通过极短的高性能电路连接，距离通常在几厘米以内
| 优势 | 挑战 |
|---|---|
|
|
产业现状：NPO是目前国内GPU芯片厂家选择的主要技术路径
（二）CPO 共封装光学
Co-packaged Optics
技术原理
光引擎与交换芯片共同封装在同一基底或插槽中，实现芯片级集成
| 优势 | 挑战 |
|---|---|
|
|
应用场景：目前主要应用于智算中心交换设备，未来有望下探至GPU算力芯片
（三）OIO 光互连输入输出
Optical I/O
技术原理
通过先进封装以芯粒形式与计算芯片集成，彻底摒弃传统铜线电气I/O
核心性能指标
● 带宽密度：1Tbps/mm²（3D封装）
● 延迟：纳秒级
● 能效：相比CPO低一个数量级
技术定位：OIO针对计算芯片，主要替代electrical IO，是光互连技术的终极形态
四、技术演进路径
NPO过渡 → CPO主流 → OIO终极
| 阶段 | 时间 | 特点 |
|---|---|---|
| 短期 | 当前 | NPO作为过渡方案快速部署，积累产业化经验 |
| 中期 | 2025-2030年 | CPO成为智算中心主流互连方案，年复合增长率超50% |
| 长期 | 2030年后 | OIO实现芯粒级集成，带宽密度达1Tbps/mm² |
五、CPO市场前景
CPO技术市场前景广阔
LightCounting预测数据
● 2027年：800G和1.6T端口中，CPO端口占比近30%
● 2029年：3.2T CPO端口出货量预计超过1000万个
国际巨头布局
| 企业 | 技术进展 |
|---|---|
| 博通 | 第二代51.2T CPO交换机，边缘带宽密度达500Gbps/mm，下一代将提升至102.4Tbps |
| 英伟达 | GTC2025发布CPO交换机，总带宽115.2Tbps，预计2026-2027年实现800G/1.6T规模化商用 |
| 英特尔 | 已完成技术闭环，进入商用落地阶段 |
国内产业进展
产业格局：国际巨头引领，国内加速追赶
| 领域 | 进展 |
|---|---|
| 标准制定 | 《T/CESA1266-2023半导体集成电路光互连接口技术要求》明确1.6Tbps交换侧和400Gbps网卡侧CPO模块标准 |
| 曦智科技 | 推出首个xPU-CPO光电共封装原型系统，计划2026年推出交换芯片CPO原型机 |
| 奇点光子 | 头部代光IO芯粒产品实现32通道6.4T带宽，带宽边密度达700Gbps/mm以上 |
| 无锡芯光 | 1.6T-CPO首代产品样机，单通道速率达400Gbps |
六、CPO产业链解析
产业链三层级结构
上游材料与芯片 → 中游模块与封装 → 下游系统与客户
（一）上游：基础材料与设备
光芯片
| 类型 | 功能 |
|---|---|
| 有源芯片 | 光电信号转换（激光器VCSEL/EML、探测器芯片），采用磷化铟或硅基材料 |
| 无源芯片 | 信号分配和调控（波分复用器AWG、光开关） |
代表企业：中标旭创、源杰科技
光材料
● 硅光材料：兼容CMOS工艺，降低成本
● 特种光纤：多模光纤、保偏光纤
代表企业：光库科技、天孚通信
生产设备
| 设备类型 | 国际代表 | 国内代表 |
|---|---|---|
| 光刻机 | ASML、Nikon | 芯东来、上海微电子 |
| 刻蚀/沉积 | Lam、Applied Materials | 北方华创、中微公司 |
| 封装设备 | SUSS、Besi | 德龙激光、罗博特科 |
（二）中游：光引擎与封装集成
光引擎——CPO的"心脏"
集成激光器阵列、调制器、探测器于硅光芯片，技术壁垒蕞高，毛利率超50%
| 企业 | 技术优势 |
|---|---|
| 天孚通信 | 全球市占率约30%，英伟达核心供应商，耦合效率>95% |
| 中际旭创 | 1.6T CPO模块小批量交付，苏州产线年产能50万套 |
| 新易盛 | LPO/CPO双轨并行，泰国工厂聚焦1.6T |
| 永鼎股份 | 全球蕞早1.6T CPO量产之一，绑定微软/谷歌 |
封装技术关键挑战
◆ 采用2.5D/3D封装（台积电COUPE、英特尔EMIB）
◆ 热管理：1.6T功耗密度高
◆ 解决方案：氮化铝基板+微通道液冷（华工科技已实现国产化）
（三）下游：系统集成与终端客户
| 应用领域 | 应用场景 | 代表客户 |
|---|---|---|
| AI数据中心 | 交换机集成CPO模块提升服务器带宽，GPU/CPU短距高速互联 | NVIDIA、Meta、Google、阿里云 |
| 通信设备 | 5G/6G基站前传网络低延迟传输，海底光缆信号中继 | 中兴通讯、华为 |
| 高性能计算 | 超算中心TB级数据实时处理，大规模AI模型训练 | 国家超算中心、AWS |
七、技术对比总结
| 技术 | 集成度 | 功耗 | 可维护性 | 成熟度 |
|---|---|---|---|---|
| 可插拔光模块 | 低 | 高 | 高 | 成熟 |
| NPO | 中 | 中 | 较高 | 过渡阶段 |
| CPO | 高 | 低 | 低 | 发展初期 |
| OIO | 极高 | 极低 | 低 | 研发阶段 |
资料来源：LightCounting、未来半导体及网络
本报告仅供参考，具体数据以官方发布为准
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