O que é CPO de óptica co-embalada? O guia para interconexões de data centers de IA da próxima{0}}geração
Jul 11, 2026
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DR:A óptica co-empacotada (CPO) é uma tecnologia avançada de integração heterogênea que agrupa motores ópticos (transceptores) e chips de comutação elétrica (ASICs) juntos em um único substrato comum, substituindo os traços tradicionais de placa de cobre por conexões ópticas diretas, de alta densidade e -escala milimétrica.Ao colocar os transceptores ópticos-geralmente chamados de chips fotônicos-diretamente dentro do pacote do switch, em vez de módulos separados no painel frontal, o CPO reduz o caminho do sinal elétrico de centímetros para milímetros. Essa arquitetura revolucionária reduz drasticamente o consumo de energia em até 70%, aumenta a densidade da largura de banda e elimina os limites físicos do cabeamento de cobre em clusters de IA e data centers de hiperescala da próxima{4}}geração. Se você está se perguntandoo que é óptica co-embaladae por que é a chave para dimensionar a infraestrutura de rede futura, este guia técnico abrangente detalha seu funcionamento interno, estruturas de empacotamento, eficiência energética e principais participantes do setor.
As redes-de alta velocidade atingiram um muro físico que o cabeamento de cobre tradicional não consegue escalar. À medida que os clusters de inteligência artificial (IA) aumentam, os fios de cobre lutam para lidar com taxas de dados massivas sem queimar energia e gerar calor extremo.
Como podemos manter o fluxo de dados em 800G, 1,6T e além, sem derreter nossos switches?
A resposta está em uma mudança arquitetônica inovadora: a óptica co-embalada (CPO). Maso que é óptica co-embaladae por que ela se tornou, de repente, a tecnologia-mais comentada no setor de comunicação óptica?
Na COBTEL, com mais de 20 anos no setor de comunicação óptica e cabeamento de rede, observamostipos de transceptores de fibraevoluir dos módulos 1G SFP para as configurações 1.6T atuais. CPO é o próximo salto, e compreendê-lo é fundamental para qualquer pessoa que projete redes para IA, nuvem ou computação de alto-desempenho.
O que é óptica co-embalada (CPO)?
A óptica co-empacotada (CPO) é uma tecnologia avançada de integração heterogênea que agrupa motores ópticos (transceptores) e chips de comutação elétrica (ASICs) juntos em um único substrato, substituindo longos traços de placa de cobre por conexões ópticas diretas de alta densidade-em escala milimétrica-.
Em seu nível fundamental, a óptica co-embalada (CPO) representa uma transição de um sistema transceptor modular para um sistema de chip co-embalado altamente integrado. Para entender o CPO, pense em um transceptor óptico tradicional como um “tradutor de escritório”. Em uma configuração padrão, esse tradutor fica na extremidade do switch (painel frontal). Quando o chip do switch principal (o alto-falante) deseja enviar dados, ele precisa passar por um longo e barulhento traço de cobre da PCB, através dos conectores, até o painel frontal. O tradutor no painel frontal traduz esses sinais elétricos em luz e os envia pela fibra.
O CPO transfere o tradutor diretamente para o mesmo escritório do palestrante. Ao retirar o mecanismo óptico (a parte que converte eletricidade em luz) da caixa separada do painel-frontal e colocá-lo diretamente no mesmo substrato de vários-chips que o ASIC do switch principal, a distância percorrida pelos sinais elétricos diminui de vários centímetros para apenas 2 a 5 milímetros. Como essa distância é tão curta, a potência necessária para enviar sinais de alta-frequência cai drasticamente, praticamente eliminando a degradação do sinal e os erros de transmissão.
Usando outra analogia cotidiana: módulos ópticos tradicionais são como colocar seu centro de distribuição em uma cidade vizinha. Cada vez que você quiser entregar um pacote, terá que dirigir um caminhão por uma longa estrada. CPO é como mover o centro de distribuição diretamente ao lado do armazém da sua fábrica. A distância percorrida diminui de vários centímetros para apenas alguns milímetros.
Como a distância percorrida é muito curta, você não precisa de tanta energia para enviar o sinal, o que reduz drasticamente a perda de energia e os erros de transmissão.
Aqui está uma comparação rápida mostrando como o CPO muda o paradigma:
Recurso
Módulo conectável tradicional
Óptica Co-embalada (CPO)
Colocação do motor óptico
Painel frontal do switch
Dentro do switch, no substrato do chip
Comprimento do caminho elétrico
10 a 30 centímetros
2 a 5 milímetros
Consumo de energia
Alto (devido aos longos caminhos de cobre)
Baixo (até 70% de economia de energia)
Dependência de DSP
Alto (requer ajuste de sinal pesado)
Baixo (muitas vezes pode eliminar totalmente o DSP)
Manutenção e Troca
Fácil (troca-a quente pela frente)
Complexo (requer design modular especializado)
Entender o que é um módulo óptico em seu nível fundamental é o ponto de partida para entender o CPO. Embora os módulos tradicionais sejam caixas externas independentes e conectáveis, o CPO representa uma transição de um "sistema modular" para um "sistema de chip co-embalado".
Por que os módulos conectáveis tradicionais atingem seus limites físicos?
Os módulos conectáveis tradicionais atingem seus limites físicos em taxas de canal único-de 224 Gbps porque os sinais elétricos de{2}}alta frequência se degradam rapidamente nos traços da placa de cobre, exigindo processadores de sinais digitais (DSPs, na sigla em inglês) que consomem muita energia para restaurar a integridade do sinal. Nos últimos 20 anos, os transceptores conectáveis têm sido a base das comunicações de dados. Se um módulo quebrasse, um engenheiro poderia retirá-lo e inserir um novo sem desligar o switch inteiro. Essa simplicidade plug-and{9}}play tornou o dimensionamento de data centers incrivelmente fácil.
No entanto, à medida que as velocidades-de canal único avançam para 224 Gbps, os sinais elétricos-de alta frequência sofrem de atenuação extrema (perda de intensidade do sinal) quando viajam através de trilhos de cobre em uma placa de circuito impresso (PCB). Nessas taxas, o sinal se deteriora tão rapidamente que chega parecendo uma confusão confusa de ruído. Para limpá-lo, os transceptores tradicionais contam com um chip Processador de Sinal Digital (DSP), que atua como um reconstrutor de alta-velocidade. No entanto, um único chip DSP dentro de um módulo óptico pode consumir entre 5 a 10 watts de energia, levando a gargalos térmicos extremos quando multiplicado por dezenas de transceptores. O CPO resolve isso removendo quase totalmente o caminho do cobre.
Como o CPO economiza tanta energia?
Os benefícios extremos-de economia de energia do CPO vêm de duas áreas principais:
Eliminando ou reduzindo o tamanho do DSP:Como a distância entre o chip switch (ASIC) e o mecanismo óptico CPO é de apenas alguns milímetros, o sinal elétrico permanece nítido e limpo. O sistema não precisa mais de um DSP pesado e que consome muita energia-para executar uma restauração de sinal complexa, cortando instantaneamente de 5 a 10 watts de energia por porta.
Reduzindo a potência do driver:Quando as linhas de sinal são curtas, os amplificadores elétricos (drivers) não precisam empurrar tanta tensão para cruzar a lacuna. Isso reduz a potência do driver para uma fração daquela exigida pelos sistemas tradicionais.
Economia por-porta:De acordo com dados divulgados pela NVIDIA, a mudança para um design habilitado para CPO-reduz o consumo de energia de porta individual de 30 watts para apenas 9 watts (uma redução de 70%).
Economia-em todo o sistema: em arquiteturas-de IA escalonadas, a análise de hardware da Meta mostrou que um módulo conectável tradicional de 800G consome aproximadamente 15W, enquanto o mecanismo óptico dentro do switch Bailly CPO da Broadcom consome apenas 5,4W por 800G de largura de banda fornecida (uma economia de energia de 65%). Essa eliminação do calor no nível do chip torna a computação de IA verde e altamente sustentável uma realidade.
Qual é a aparência de um sistema CPO por dentro?
Um sistema CPO padrão consiste em três componentes principais: um mecanismo fotônico de silício para conversão eletro{0}}óptica, um conjunto de fibra óptica (FAU) de alta-precisão para conectividade externa e um chip de comutação de circuito-específico de aplicação (ASIC) que atua como o cérebro.
Dentro de um projeto óptico integrado, o layout físico muda de uma placa{0}}distribuída para um micro{1}}sistema altamente denso e integrado. Aqui estão os três pilares que compõem seu interior:
O Motor Fotônico de Silício (PIC):Baseia-se em Silicon Photonics (SiPh). Os Circuitos Integrados Fotônicos (PICs) são fabricados usando processos CMOS padrão, permitindo que guias de ondas ópticas microscópicas, moduladores e detectores sejam impressos diretamente em um chip de silício.
Unidade de matriz de fibra de alta-precisão (FAU):Depois que o PIC converte sinais elétricos em luz, a FAU alinha dezenas de fibras individuais às portas ópticas do PIC com precisão microscópica (tolerâncias de face-de nível-mícron).
O Switch ASIC (Cérebro Central):O processador central que gerencia o roteamento de rede, colocado diretamente ao lado do PIC em um único substrato de pacote de vários{0}chips usando empilhamento 2,5D ou 3D.
A fonte externa de laser (ELS): colocando a lâmpada fora do forno
Há um grande desafio de design dentro de um pacote CPO: o calor. O switch ASIC de silício fica incrivelmente quente (funcionando como um pequeno forno), mas os lasers são altamente sensíveis à temperatura. Se um chip laser ficar muito quente, sua eficiência diminuirá e sua vida útil diminuirá drasticamente.
Para resolver isso, as arquiteturas CPO utilizam uma Fonte Laser Externa (ELS). O emissor laser é removido completamente do pacote de chip quente e colocado no painel frontal frio do switch. Cabos de fibra óptica de alta-densidade guiam a luz laser não modulada do painel frontal para o mecanismo CPO no chip.
Esse design mantém as "lâmpadas-sensíveis ao calor" protegidas do "forno", tornando o sistema muito mais confiável. Para dominar a dinâmica desses componentes, é muito útil estudar as partes principais de um transceptor óptico.
Principais tipos de estrutura de embalagem de módulos ópticos CPO
A maneira como os engenheiros organizam, conectam e empilham fisicamente os chips ópticos e elétricos define a estrutura do pacote CPO. Hoje, a indústria se estabeleceu em três estruturas principais: embalagens 2D, 2,5D e 3D.
1. 2Embalagem D (integração-por{2}}lateral)
Em uma configuração 2D, o Circuito Integrado Eletrônico (EIC) e o Circuito Integrado Fotônico (PIC) são colocados lado-a-lados no mesmo substrato orgânico ou PCB.
CPO de ligação de fio:O EIC e o PIC se conectam ao substrato e fios finos de ouro preenchem a lacuna entre eles. Embora seja altamente flexível e simples de construir, os loops de fio criam alta capacitância parasita, o que limita o desempenho de alta-velocidade.
Inverter-CPO do chip:Os chips são virados de cabeça para baixo e pequenas saliências de metal os conectam a um substrato cerâmico. Isso proporciona um caminho de sinal mais curto e melhores térmicas, mas os substratos cerâmicos multi-camadas são caros.
Embalagem em nível de-wafer-fanout (FOWLP):O PIC e o EIC são moldados em uma camada de polímero sintético e linhas metálicas de alta-densidade (camadas de redistribuição ou RDLs) são impressas sobre eles para ligá-los. Isso elimina completamente ligações e solavancos de fios, criando um módulo muito fino e de alto-desempenho.
Exemplo-do mundo real:O switch CPO Bailly 51.2T da Broadcom usa FOWLP para empacotar oito mecanismos ópticos em torno do switch central ASIC.
2. 2.5Embalagem D (integração baseada em interposer-)
A embalagem 2.5D introduz uma camada extra chamadainterpositorentre os chips ativos e o substrato inferior. Os chips ativos ficam em cima deste intermediário, que contém uma fiação microscópica incrivelmente densa para rotear sinais entre eles.
Interpositor de Silício:O PIC e o EIC assentam sobre uma fina camada de silício. Isto corresponde perfeitamente à expansão térmica dos chips, evitando deformações físicas. No entanto, o silício é um semicondutor, o que pode fazer com que sinais de alta-frequência liberem energia para o substrato.
Interpositor de vidro:As batatas fritas ficam em um interpositor de vidro. O vidro é um isolante elétrico excepcional, que mantém claros os sinais-de alta frequência.
Marco OFC 2026:A Intel demonstrou um protótipo de CPO de{0}substrato de vidro na Conferência de Comunicação de Fibra Óptica de 2026, demonstrando um aumento de 10x na densidade de interconexão.
EMIB (ponte de interconexão multi{0}}die incorporada):Em vez de um interposer gigante e caro, uma pequena e fina “ponte” de silício é embutida no substrato orgânico logo abaixo das bordas do chip para conectá-los. Isso economiza dinheiro e mantém excelente integridade do sinal.
3. 3Embalagem D (empilhamento vertical)
A embalagem 3D representa a evolução definitiva do CPO. Em vez de colocar os chips ópticos e elétricos lado-a-lado, os engenheiros os empilham verticalmente, um diretamente em cima do outro.
PIC como intermediário:O chip eletrônico (EIC) é empilhado diretamente sobre o chip óptico (PIC) usando ligação híbrida avançada de cobre-a{1}}cobre.
Padrão da plataforma:A plataforma 3D COUPE (Compact Universal Photonic Engine) da TSMC usa essa abordagem, reduzindo a capacitância parasita em incríveis 85% e reduzindo a latência do sinal em 95%.
EIC como interposto:O PIC está empilhado em cima do EIC. Isso permite que o chip eletrônico quente se conecte diretamente ao substrato inferior para facilitar o resfriamento.
Incorporação de substrato orgânico:A fotônica de silício é incorporada diretamente dentro de um substrato orgânico, usando guias de onda de polímero-integrados para direcionar a luz. Isso é altamente econômico-, mas propenso a deformar sob calor intenso.
Aqui está um resumo das compensações entre essas três abordagens estruturais:
Tipo de embalagem
Densidade de interconexão
Integridade do sinal
Custo de fabricação
Gestão Térmica
Prontidão Comercial (a partir de 2026)
Embalagem 2D
Moderado
Moderado
Baixo a moderado
Justo
Maduro (Broadcom Bailly, Cisco SiliconOne)
Embalagem 2,5D
Alto
Alto
Alto
Bom
Expansão (sistemas CoWoS)
Embalagem 3D
Ultra-Alto
Excelente
Muito alto
Desafiador (requer refrigeração líquida)
Emergentes (NVIDIA Quantum-X800, TSMC COUPE)
Quem está construindo o CPO? O Mapa do Ecossistema Global
O CPO não é um esforço localizado; isso desencadeou uma enorme colaboração global em design de silício, embalagens avançadas, fabricação de laser e infraestrutura de cabeamento físico.
1. Silício Internacional e Gigantes de Sistemas
NVIDIA:O impulsionador mais agressivo da comercialização de CPO. O switch CPO refrigerado a líquido Quantum-X800 Q3450-LD da NVIDIA (usando a plataforma 3D COUPE da TSMC) oferece 115,2 Tbps de largura de banda total em 144 portas, removendo completamente o DSP para economizar mais de 3 quilowatts de energia por rack de switch.
Broadcom:O pioneiro. Após seu switch Bailly 51.2T CPO, a Broadcom lançou o Tomahawk 6 Davisson CPO ASIC, alcançando velocidades de-canal único de 200 Gbps e reduzindo o consumo de energia óptica em 70%.
Intel:Aproveitando mais de 20 anos de pesquisa, a Intel está se concentrando em interconexões ópticas de computação (OCI) para conectar chips de CPU e GPU diretamente usando caminhos ópticos de{1}}alta largura de banda.
Cisco e Marvell:Construindo roteadores CPO SiliconOne personalizados e mecanismos 3D Silicon Photonics integrados diretamente em XPUs personalizados.
2. Fundições de semicondutores
TSMC:Fornecendo o mecanismo de fabricação básico com sua plataforma COUPE, permitindo a ligação híbrida-de alto volume de circuitos ópticos e elétricos.
GlobalFoundries (GF Fotonix) e Tower Semiconductor:Oferecendo plataformas de design fotônico de silício abertas e altamente padronizadas para os principais construtores de tecnologia.
3. Cadeia de suprimentos e líderes de componentes
Alinhamento de precisão (FAUs):A Tianfu Telecom é líder global em fabricação de FAU de alta-precisão e motores leves 1.6T, atuando como principal fornecedor de sistemas-de CPO de IA de ponta.
Emissores de laser (ELS):Lumentum e Coherent são desenvolvedores líderes de fontes externas de laser. Enquanto isso, empresas como a Yuanjie Technology construíram uma forte posição no mercado fornecendo chips laser CW-DFB.
Infraestrutura de switch e refrigeração:Ruijie Networks, H3C e especialistas em refrigeração como a Envic fornecem configurações de refrigeração líquida-prontas para CPO para gerenciar altas cargas de calor.
4. O papel da COBTEL no ecossistema
Como fabricante OEM de componentes ópticos avançados, a COBTEL desempenha um papel crucial na camada de infraestrutura física. Os sistemas CPO utilizam contagens de fibra incrivelmente altas para rotear luz e sinais de laser. Nossos patch cords de fibra MPO de alta-precisão e gabinetes de servidor personalizados são projetados especificamente para suportar tolerâncias sub{3}}micrométricas e alta densidade exigidas por switches CPO e aceleradores de IA.
O CPO substituirá completamente os módulos conectáveis tradicionais?
Não, o CPO e os módulos ópticos conectáveis coexistirão-no futuro próximo, já que os conectáveis continuam sendo ideais para links de longa-distância, altamente flexíveis e hot-trocáveis, enquanto o CPO tem como alvo clusters de IA de curto-alcance e ultra{4}}densos. Os conectáveis continuam sendo o rei indiscutível das interconexões de data center (DCI) de longa-distância, onde a troca rápida-a quente-do painel frontal é essencial. O CPO é o mestre definitivo em aplicações de curta-distância e largura de banda ultra{11}}alta abaixo de 100 metros, como clusters de GPU-a{14}}GPU em cargas de trabalho de IA, onde a densidade da largura de banda e a economia de energia são as prioridades finais. Near{16}}Packaged Optics (NPO) serve como uma etapa de ponte, colocando o mecanismo óptico na placa-mãe próximo ao ASIC para encurtar significativamente o caminho elétrico sem a complexidade inicial do empacotamento CPO 3D completo.
Plugáveis: Rei da Longa Distância e Flexibilidade
Para interconexões de data centers (DCI) de longa distância-,-como vincular dois data centers em uma cidade ou estado,-módulos conectáveis tradicionais, como nosso transceptor óptico de 800G de alta{3}}capacidade, continuarão sendo o padrão.
Esses links não precisam de integração de chip ultra{0}densa, mas exigem alta flexibilidade. Se um transmissor-de longa distância falhar, a troca de um módulo conectável-do painel frontal leva segundos e mantém o restante do switch funcionando.
CPO: mestre em largura de banda curta-distância e ultra{1}}alta
A casa do CPO está dentro do cluster de IA. Para conectar GPUs a outras GPUs ou vincular switches de coluna dentro de uma única sala onde as distâncias são curtas (menos de 100 metros), a densidade da largura de banda e a economia de energia são as prioridades finais.
Neste espaço, o CPO é incomparável.
Analistas do setor estimam que o CPO será responsável por aproximadamente 1% dos módulos ópticos-relacionados à IA enviados. No entanto, à medida que as arquiteturas 1.6T e 3.2T aumentam, a penetração no mercado de CPO deverá aumentar para 20% –35% entre 2028 e 2030.
O trampolim: quase-óptica empacotada (NPO)
Como o salto dos conectáveis tradicionais para o CPO completo é tecnicamente complexo, o setor adotou uma etapa intermediária chamada Near-Packaged Optics (NPO).
Entendimentoo que é um módulo de link ópticoem seu nível fundamental é o ponto de partida para a compreensão do CPO. Embora os módulos tradicionais sejam caixas externas independentes e conectáveis, o CPO representa uma transição de um "sistema modular" para um "sistema de chip co-embalado".
Por que os módulos conectáveis tradicionais atingem seus limites físicos?
Os módulos conectáveis tradicionais atingem seus limites físicos em taxas de canal único-de 224 Gbps porque os sinais elétricos de{2}}alta frequência se degradam rapidamente nos traços da placa de cobre, exigindo processadores de sinais digitais (DSPs, na sigla em inglês) que consomem muita energia para restaurar a integridade do sinal.
Nos últimos 20 anos, os transceptores conectáveis têm sido a base das comunicações de dados. Se um módulo quebrasse, um engenheiro poderia retirá-lo e inserir um novo sem desligar o switch inteiro. Essa simplicidade plug{3}}and{4}} tornou o dimensionamento de data centers incrivelmente fácil.
No entanto, à medida que aumentamos as velocidades-de canal único em direção a 224 Gbps, nos deparamos-primeiramente com as leis da física. Sinais elétricos de alta-frequência sofrem de atenuação extrema (perda de intensidade do sinal) quando viajam através de trilhos de cobre em uma placa de circuito impresso (PCB).
A 224 Gbps, o sinal elétrico se deteriora tão rapidamente que, quando percorre 10 a 30 centímetros da placa de cobre para chegar ao módulo conectável, fica completamente distorcido. Chega parecendo uma confusão confusa de ruído.
Para resolver isso, os transceptores tradicionais contam com um chip Processador de Sinal Digital (DSP). O DSP atua como um reconstrutor-de alta velocidade, usando matemática complexa para "adivinhar" como era o sinal original e limpá-lo.
Mas os DSPs consomem muita-energia e são caros. Um único chip DSP dentro de um módulo óptico pode consumir entre 5 a 10 watts de energia. Multiplique isso por dezenas de transceptores conectados a um único switch de alta-densidade e você terá um enorme problema térmico. O painel frontal do switch se transforma em um forno virtual.
Até mesmo nosso altamente otimizadoTransceptores DD QSFP 400G-leve o design conectável aos seus limites absolutos de engenharia. Além dessas velocidades, tentar fazer com que os traços de cobre funcionem não é mais uma questão de melhorar a produção; é um gargalo físico. O CPO resolve isso não tentando melhorar o cobre, mas removendo quase totalmente o caminho do cobre.
Como o CPO economiza tanta energia?
O CPO economiza energia reduzindo o caminho elétrico de vários centímetros para alguns milímetros, permitindo que os sistemas removam ou reduzam DSPs que consomem muita energia-e reduzam os requisitos de driver de laser.
Os benefícios-de economia de energia do CPO vêm de duas áreas principais:
1. Eliminando ou reduzindo o DSP
Como a distância entre o chip switch (ASIC) e o mecanismo óptico CPO é de apenas alguns milímetros, o sinal elétrico quase não tem espaço para degradação. Chega nítido e limpo.
Isso significa que o sistema não precisa de um DSP pesado-que consome muita energia para realizar uma restauração de sinal complexa. Em muitos projetos de CPO, o DSP pode ser completamente eliminado. Isso reduz instantaneamente de 5 a 10 watts de consumo de energia por porta.
2. Reduzindo a potência do driver
Quando as linhas de sinal são curtas, os amplificadores elétricos (drivers) não precisam aplicar tanta tensão para transmitir o sinal. Isso reduz a potência do driver para uma fração daquela exigida pelos sistemas tradicionais.
As economias-de energia reais dessa mudança são dramáticas:
Economia por-porta:De acordo com dados divulgados pela NVIDIA, a mudança para um design habilitado para CPO-reduz o consumo de energia de porta individualde 30 watts para apenas 9 watts(uma redução de 70%).
Economia-em todo o sistema:Em arquiteturas de IA-escaláveis, a análise de hardware da Meta mostrou que um módulo conectável tradicional de 800G consome aproximadamente 15 W, enquanto o mecanismo óptico internoO switch Bailly CPO da Broadcom consome apenas 5,4 W por 800Gde largura de banda entregue (uma economia de energia de 65%).
Economizar energia não reduz apenas sua conta de luz; também reduz os custos de resfriamento. Em grandes clusters de treinamento de IA, o resfriamento do hardware geralmente consome quase tanta energia quanto o funcionamento dos próprios processadores. Ao eliminar o calor no nível do chip, o CPO torna uma realidade a computação de IA verde e altamente sustentável.
Qual é a aparência de um sistema CPO por dentro?
Um sistema CPO padrão consiste em três componentes principais: um mecanismo fotônico de silício para conversão eletro{0}}óptica, um conjunto de fibra óptica (FAU) de alta-precisão para conectividade externa e um chip de comutação de circuito-específico de aplicação (ASIC) que atua como o cérebro.
Dentro de um projeto óptico integrado, o layout físico muda de uma placa{0}}distribuída para um micro{1}}sistema altamente denso e integrado. Aqui estão os três pilares que compõem seu interior:
1. O Motor Fotônico de Silício (PIC)
Ao contrário dos transceptores tradicionais que usam lasers e componentes ópticos individuais e separados, o CPO depende do Silicon Photonics (SiPh). Os Circuitos Integrados Fotônicos (PICs) são fabricados usando processos de silício CMOS padrão (as mesmas fábricas que fabricam CPUs de computador). Isso permite que os engenheiros imprimam guias de ondas ópticas microscópicas, moduladores e detectores diretamente em um chip de silício.
2. Unidade de matriz de fibra de alta-precisão (FAU)
Uma vez que o motor fotônico de silício converte sinais elétricos em luz, essa luz deve ser canalizada para fibras de vidro. A Fiber Array Unit (FAU) alinha dezenas de fibras individuais às portas ópticas do PIC com precisão microscópica. Como os núcleos ópticos têm apenas alguns micrômetros de largura, mesmo um pequeno desalinhamento pode arruinar a conexão.
Quando fabricamos MPO de alta{0}}densidade e conjuntos de fibra breakout na COBTEL, o polimento de-face final-de mícron já é um foco importante da engenharia. Nos sistemas CPO, essa precisão é dimensionada diretamente no substrato do chip.
3. O Switch ASIC (Cérebro Central)
Este é o processador central que gerencia o roteamento da rede. No CPO, esse enorme chip é colocado diretamente ao lado do mecanismo fotônico de silício em um único substrato de pacote de vários{1}chips usando tecnologias de empacotamento avançadas (como empilhamento 2,5D ou 3D).
A fonte externa de laser (ELS): colocando a lâmpada fora do forno
Há um grande desafio de design dentro de um pacote CPO: o calor. O switch ASIC de silício fica incrivelmente quente (funcionando como um pequeno forno), mas os lasers são altamente sensíveis à temperatura. Se um chip laser ficar muito quente, sua eficiência diminuirá e sua vida útil diminuirá drasticamente.
Para resolver isso, as arquiteturas CPO utilizam uma Fonte Laser Externa (ELS). O emissor laser é removido completamente do pacote de chip quente e colocado no painel frontal frio do switch. Cabos de fibra óptica de alta-densidade guiam a luz laser não modulada do painel frontal para o mecanismo CPO no chip.
Esse design mantém as "lâmpadas-sensíveis ao calor" protegidas do "forno", tornando o sistema muito mais confiável. Para dominar a dinâmica desses componentes, é muito útil estudar apartes principais de um transceptor óptico .
Principais tipos de estrutura de embalagem de módulos ópticos CPO
A maneira como os engenheiros organizam, conectam e empilham fisicamente os chips ópticos e elétricos define a estrutura do pacote CPO. Hoje, a indústria se estabeleceu em três estruturas principais: embalagens 2D, 2,5D e 3D.
1. 2Embalagem D (integração-por{2}}lateral)
Em uma configuração 2D, o Circuito Integrado Eletrônico (EIC) e o Circuito Integrado Fotônico (PIC) são colocados lado-a-lados no mesmo substrato orgânico ou PCB.
CPO de ligação de fio:O EIC e o PIC se conectam ao substrato e fios finos de ouro preenchem a lacuna entre eles. Embora seja altamente flexível e simples de construir, os loops de fio criam alta capacitância parasita, o que limita o desempenho de alta-velocidade.
Inverter-CPO do chip:Os chips são virados de cabeça para baixo e pequenas saliências de metal os conectam a um substrato cerâmico. Isso proporciona um caminho de sinal mais curto e melhores térmicas, mas os substratos cerâmicos multi-camadas são caros.
Embalagem em nível de-wafer-fanout (FOWLP):
Chips eletrônicos (EIC) e chips ópticos (PIC) são incorporados em um substrato de composto de moldagem epóxi (EMC), com interconexão optoeletrônica obtida através de uma camada de redistribuição (RDL). Isso elimina completamente ligações e solavancos de fios, criando um módulo muito fino e de alto-desempenho. Esse design elimina ligações ou saliências nos fios, produzindo um pacote compacto, de alto-desempenho e alta-densidade que encurta as linhas de interconexão e otimiza a integridade do sinal. O chip ocupa pouco espaço e está conectado ao substrato ASIC por meio da região de distribuição-out. No entanto, o processo é complexo, envolvendo reconstituição de wafer, moldagem e formação de camada de redistribuição (RDL), com cada etapa afetando a confiabilidade da embalagem. A reconstituição do wafer requer alta precisão de posicionamento, e a incompatibilidade do coeficiente de expansão térmica (CTE) durante a moldagem pode facilmente levar ao empenamento do wafer e ao deslocamento do chip.
Uma seção-cruzada de embalagens ópticas híbridas baseadas na plataforma FOWLP, adequada para aplicações (a) multimodo e (b) monomodo-. Nas embalagens multimodo, a direção de propagação da luz é vertical; em embalagens ópticas-de modo único, é lateral.
Exemplo-do mundo real:O switch CPO Bailly 51.2T da Broadcom usa FOWLP para empacotar oito mecanismos ópticos em torno do switch central ASIC.
2. 2.5Embalagem D (integração baseada em interposer-)
A embalagem 2.5D introduz uma camada extra chamadainterpositorentre os chips ativos e o substrato inferior. Os chips ativos ficam em cima deste intermediário, que contém uma fiação microscópica incrivelmente densa para rotear sinais entre eles.
Interpositor de Silício:
PIC e EIC são flip{0}}chip ligados a um interposer de silício, que apresenta uma estrutura RDL multi-camadas e pode conter TSVs (através de-vias de silício) para conexão ao PCB. As vantagens incluem alta densidade de integração, perfil fino, saliências integradas, boa correspondência de CTE com materiais de chip, empenamento reduzido, maior confiabilidade e interconexão elétrica de alta{4}}largura de banda. No entanto, ele enfrenta alto custo (devido à fabricação do TSV e à oxidação da camada de isolamento) e baixo desempenho elétrico (o silício é um semicondutor, levando a um forte acoplamento eletromagnético com o substrato durante a transmissão do sinal, o que gera correntes parasitas e afeta a integridade do sinal).
Interpositor de vidro:As batatas fritas ficam em um interpositor de vidro. O vidro é um isolante elétrico excepcional, que mantém claros os sinais-de alta frequência.
Marco OFC 2026:A Intel demonstrou um protótipo de CPO de{0}substrato de vidro na Conferência de Comunicação de Fibra Óptica de 2026, demonstrando umAumento de 10x na densidade de interconexão .
Componentes como PICs, drivers e TIAs são colados em flip-chip em um substrato de vidro. Os sinais ópticos são transmitidos através de guias de onda na parte traseira do substrato de vidro e acoplados a fibras ópticas. Os sinais elétricos são roteados através de vias de vidro metalizadas (TGVs) no substrato de suporte de vidro. O vidro tem módulo de Young e dureza mais altos, e seu coeficiente de expansão térmica pode corresponder ao das placas de silício e PCB, reduzindo o estresse do sistema interno, minimizando o empenamento em chips grandes e melhorando o rendimento e a confiabilidade. Contudo, o vidro é quebradiço e quimicamente inerte; Os TGVs têm diâmetros grandes; o tempo e o custo do revestimento são altos; sua má adesão aos metais pode causar delaminação; e a dissipação de calor é fraca.
Solução de CPO baseada em vidro Corning-
EMIB (ponte de interconexão multi{0}}die incorporada):Em vez de um interposer gigante e caro, uma pequena e fina “ponte” de silício é embutida no substrato orgânico logo abaixo das bordas do chip para conectá-los. Isso economiza dinheiro e mantém excelente integridade do sinal.
3. 3Embalagem D (empilhamento vertical)
A embalagem 3D representa a evolução definitiva do CPO. Em vez de colocar os chips ópticos e elétricos lado-a-lado, os engenheiros os empilham verticalmente, um diretamente em cima do outro.
PIC como intermediário:O chip eletrônico (EIC) é empilhado diretamente sobre o chip óptico (PIC) usando ligação híbrida avançada de cobre-a{1}}cobre.
Padrão da plataforma:A plataforma 3D COUPE (Compact Universal Photonic Engine) da TSMC usa essa abordagem, reduzindo a capacitância parasita em incríveis 85% e reduzindo a latência do sinal em 95%.
Chips ASIC e chips optoeletrônicos (OE) (ou módulos MEM{0}}Comp e módulos OE) são empilhados em um interposer PIC, que alcança interconexão elétrica horizontal e vertical por meio de interconexões metálicas e TSVs. Isso reduz ainda mais o tamanho do pacote, encurta o comprimento de interconexão-a{3}}chip, alcança integração de alta densidade, reduz o atraso e o ruído de transmissão, minimiza a perda de chip e aumenta a confiabilidade da expansão térmica. A tecnologia de ligação SoIC da TSMC pode minimizar efeitos parasitas na interface EIC-PIC, melhorando a potência e o desempenho. No entanto, o processo de fabricação é complexo, com custos elevados e requisitos rigorosos de materiais e precisão de fabricação. O processo de fabricação do TSV (através de abertura, deposição de camadas de isolamento/barreira/semente, enchimento de cobre, polimento químico-mecânico, desbaste de wafer, colagem de wafer, etc.) é tecnicamente desafiador, impactando diretamente o desempenho do TSV e a confiabilidade da embalagem 3D.
EIC como interposto:O PIC está empilhado em cima do EIC. Isso permite que o chip eletrônico quente se conecte diretamente ao substrato inferior para facilitar o resfriamento.
O PIC é ligado por flip-chip na parte superior do EIC, e o EIC é então interconectado com o chip ASIC através de um substrato. Por exemplo, a solução da Broadcom integra um chip de comutação Tomahawk 4 de 25,6 Tbps com quatro mecanismos ópticos CPO em um único switch, cada mecanismo óptico suportando 3,2 Tbps. Isto também alcança alta densidade de integração e interconexões curtas. Semelhante ao uso do PIC como intermediário, a complexidade e o custo do empacotamento 3D são os principais desafios.
Incorporação de substrato orgânico:A fotônica de silício é incorporada diretamente dentro de um substrato orgânico, usando guias de onda de polímero-integrados para direcionar a luz. Isso é altamente econômico-, mas propenso a deformar sob calor intenso.
Os chips transceptores fotônicos de silício são incorporados em um substrato orgânico e conectados a uma interface-de fibra óptica por meio de guias de onda de polímero. A camada RDL é fabricada diretamente no chip fotônico de silício incorporado e na camada intermediária, que se conecta ao LSI. Isso oferece baixo custo de fabricação, integração aprimorada de chips e desempenho aprimorado de transmissão de sinal. No entanto, o intermediário orgânico possui um alto coeficiente de expansão térmica (CTE) e baixa estabilidade dimensional, o que limita a largura da linha de interconexão e a densidade de E/S. Ele também exibe baixa condutividade térmica, dissipação de calor inadequada, baixo módulo de elasticidade e é propenso a deformar durante a fabricação.
Diagrama esquemático de um interpositor incorporado-fotônico-de silício
Aqui está um resumo das compensações entre essas três abordagens estruturais:
Tipo de embalagem
Densidade de interconexão
Integridade do sinal
Custo de fabricação
Gestão Térmica
Prontidão Comercial (a partir de 2026)
Embalagem 2D
Moderado
Moderado
Baixo a moderado
Justo
Maduro (Broadcom Bailly, Cisco SiliconOne)
Embalagem 2,5D
Alto
Alto
Alto
Bom
Expansão (sistemas CoWoS)
Embalagem 3D
Ultra-Alto
Excelente
Muito alto
Desafiador (requer refrigeração líquida)
Emergentes (NVIDIA Quantum-X800, TSMC COUPE)
Quem está construindo o CPO? O Mapa do Ecossistema Global
O CPO não é um esforço localizado; isso desencadeou uma enorme colaboração global em design de silício, embalagens avançadas, fabricação de laser e infraestrutura de cabeamento físico.
1. Silício Internacional e Gigantes de Sistemas
NVIDIA : O impulsionador mais agressivo da comercialização de CPO. O switch CPO refrigerado a líquido Quantum-X800 Q3450-LD da NVIDIA (usando a plataforma 3D COUPE da TSMC) oferece115,2 Tbps de largura de banda totalem 144 portas, removendo completamente o DSP para economizar mais de 3 quilowatts de energia por rack de switch.
Broadcom : O pioneiro. Após seu switch Bailly 51.2T CPO, a Broadcom lançou o Tomahawk 6 Davisson CPO ASIC, alcançando velocidades de-canal único de 200 Gbps e reduzindo o consumo de energia óptica em 70%.
Informações : Aproveitando mais de 20 anos de pesquisa, a Intel está se concentrando em interconexões ópticas de computação (OCI) para conectar chips de CPU e GPU diretamente usando caminhos ópticos de{1}}alta largura de banda.
Cisco & Marvel : Construindo roteadores CPO SiliconOne personalizados e mecanismos 3D Silicon Photonics integrados diretamente em XPUs personalizados.
2. Fundições de semicondutores
TSMC:Fornecendo o mecanismo de fabricação básico com sua plataforma COUPE, permitindo a ligação híbrida-de alto volume de circuitos ópticos e elétricos.
GlobalFoundries (GF Fotonix) e Tower Semiconductor:Oferecendo plataformas de design fotônico de silício abertas e altamente padronizadas para os principais construtores de tecnologia.
3. Cadeia de suprimentos e líderes de componentes
Alinhamento de precisão (FAUs):A Tianfu Telecom é líder global em fabricação de FAU de alta-precisão e motores leves 1.6T, atuando como principal fornecedor de sistemas-de CPO de IA de ponta.
Emissores de laser (ELS):Lumentum e Coherent são desenvolvedores líderes de fontes externas de laser. Enquanto isso, empresas como a Yuanjie Technology construíram uma forte posição no mercado fornecendo chips laser CW-DFB.
Infraestrutura de switch e refrigeração:Ruijie Networks, H3C e especialistas em refrigeração como a Envic fornecem configurações de refrigeração líquida-prontas para CPO para gerenciar altas cargas de calor.
4. O papel da COBTEL no ecossistema
Como fabricante OEM de componentes ópticos avançados, a COBTEL desempenha um papel crucial na camada de infraestrutura física. Os sistemas CPO utilizam contagens de fibra incrivelmente altas para rotear luz e sinais de laser. Nossa alta-precisãoPatch cords de fibra MPOe personalizadoarmários de servidorsão projetados especificamente para suportar tolerâncias sub{0}}micrométricas e alta densidade exigidas por switches CPO e aceleradores de IA.
O CPO substituirá completamente os módulos conectáveis tradicionais?
Não, o CPO e os módulos ópticos conectáveis coexistirão-no futuro próximo, já que os conectáveis continuam sendo ideais para links de longa-distância, altamente flexíveis e hot-trocáveis, enquanto o CPO tem como alvo clusters de IA de curto-alcance e ultra{4}}densos.
Apesar do enorme entusiasmo em torno da óptica integrada, ela não é um substituto do tipo "tamanho único-para-todos" os módulos conectáveis tradicionais. Em vez disso, as duas tecnologias coexistirão-, cada uma desempenhando funções diferentes na rede.
Plugáveis: Rei da Longa Distância e Flexibilidade
Para interconexões de data centers (DCI) de longa distância-, como vincular dois data centers em uma cidade ou estado,-módulos conectáveis tradicionais, como nossos módulos de alta{3}}capacidadetransceptor 800G ópticocontinuará sendo o padrão.
Esses links não precisam de integração de chip ultra{0}densa, mas exigem alta flexibilidade. Se um transmissor-de longa distância falhar, a troca de um módulo conectável-do painel frontal leva segundos e mantém o restante do switch funcionando.
CPO: mestre em largura de banda curta-distância e ultra{1}}alta
A casa do CPO está dentro do cluster de IA. Para conectar GPUs a outras GPUs ou vincular switches de coluna dentro de uma única sala onde as distâncias são curtas (menos de 100 metros), a densidade da largura de banda e a economia de energia são as prioridades finais.
Neste espaço, o CPO é incomparável.
Analistas do setor estimam que o CPO será responsável por aproximadamente 1% dos módulos ópticos-relacionados à IA enviados. No entanto, à medida que as arquiteturas 1.6T e 3.2T aumentam, a penetração no mercado de CPO deverá aumentar para 20% –35% entre 2028 e 2030.
O trampolim: quase-óptica empacotada (NPO)
Como o salto dos conectáveis tradicionais para o CPO completo é tecnicamente complexo, o setor adotou uma etapa intermediária chamada Near-Packaged Optics (NPO).
No NPO, o mecanismo óptico não é colocado no caro substrato de silício com o ASIC. Em vez disso, ele fica na placa-mãe ao lado do ASIC. Isto encurta significativamente o caminho elétrico em comparação com os conectáveis, mas evita os altos custos de embalagem e os desafios térmicos do CPO completo. Ele serve como um trampolim confiável para operadores de data centers que desejam maior eficiência sem os riscos de fabricação da integração 3D.
COBTEL: a “peça do quebra-cabeça óptico” físico para o poder de computação de IA
À medida que as redes passam de arquiteturas tradicionais para sistemas ópticos integrados, a demanda por cabeamento físico de precisão e baixa{0}}perda aumenta exponencialmente. Um switch CPO pode empacotar seus mecanismos ópticos em-chip, mas esses mecanismos ainda precisam se conectar ao mundo externo por meio de centenas de fibras ópticas.
É aqui que entram os 20+ anos de experiência em fabricação da COBTEL.
Fornecemos a infraestrutura física completa que suporta transições ópticas de alta-velocidade:
Sub{0}}Montagens Polidas Micron:Nossos cabos MPO e de fibra breakout de alta{0}}densidade garantem que as interfaces de fibra-para{2}}chip sofram perda mínima de inserção.
Plugáveis-de alta velocidade:Continuamos a fabricar robustostipos de transceptores de fibrade 10 G a 800 G, compatível com implantações de redes híbridas em que conectáveis e sistemas CPO funcionam lado-a{3}}lado.
Gabinetes de cabeamento integrados:Nossos racks estruturais de servidor e ferramentas de gerenciamento de cabos são projetados para organizar os enormes pacotes de fibra que os sistemas CPO exigem, garantindo resfriamento ideal e segurança-do raio de curvatura.
Quando projetamos matrizes de fibra de alta-densidade e configurações de breakout MPO para ambientes de hiperescala, nossa equipe de engenharia se concentra fortemente no polimento sub{1}}mícron e no gerenciamento de gabinete personalizado para evitar qualquer degradação do sinal. Controlamos todo o processo-desde o projeto e a fabricação do molde-até os testes e a montagem automatizada-garantindo que suas camadas físicas estejam totalmente prontas para a próxima geração de computação.
Perguntas frequentes
1. Qual é a diferença entre ópticas co-embaladas e transceptores ópticos conectáveis?
Os transceptores conectáveis são módulos separados-de troca a quente inseridos no painel frontal de um switch, comunicando-se com o chip do switch por meio de longas trilhas de PCB de cobre. A óptica co-embalada (CPO) integra o mecanismo óptico diretamente ao chip do switch em um único substrato, reduzindo o caminho do sinal elétrico para apenas alguns milímetros para economizar energia e melhorar a qualidade do sinal.
2. Por que o CPO usa fotônica de silício em vez dos chips laser tradicionais?
O CPO usa fotônica de silício porque permite que componentes ópticos sejam fabricados usando equipamento semicondutor CMOS padrão, permitindo que guias de ondas ópticas microscópicas e moduladores sejam construídos diretamente em uma matriz de silício. Isso torna possível-produzir e empacotar motores ópticos em massa junto com processadores de computador e alternar ASICs no mesmo ambiente de sala limpa.
3. O que é Near{1}}Packaged Optics (NPO) e como ele difere do CPO?
Near{0}}Packaged Optics (NPO) é um design de transição em que os mecanismos ópticos ficam na placa-mãe do switch imediatamente ao lado do chip do switch, em vez de compartilharem o mesmo substrato de silício. O NPO oferece um caminho de sinal muito mais curto do que os plugáveis-de painel frontal tradicionais, evitando as extremas complexidades térmicas, de rendimento e de alinhamento da óptica totalmente co-empacotada (CPO).
4. Qual infraestrutura de cabeamento um switch CPO exige?
Como os switches CPO agrupam centenas de canais ópticos em uma área muito pequena, eles exigem conjuntos de fibra óptica de alta-densidade e baixa{1}}perda, principalmente usando patch cords MPO/MTP de múltiplas{2}fibras e painéis breakout de fibra-de alta densidade personalizados-projetados. Conexões precisas,{6}}livres de poeira e conectores sub-polidos são absolutamente essenciais para evitar a degradação do sinal nessas velocidades ultra-altas.
5. Como o resfriamento líquido se relaciona com os sistemas ópticos integrados?
Os chips de switch (ASICs) funcionam incrivelmente quentes e, em um sistema CPO, os mecanismos ópticos sensíveis à temperatura-são empacotados diretamente ao lado deles no mesmo substrato. Como o resfriamento a ar tradicional não pode remover com segurança esse calor concentrado, os switches CPO quase sempre dependem de placas de resfriamento líquido ou sistemas de resfriamento líquido direto-ao-chip para manter o ASIC e a óptica em temperaturas operacionais seguras.
