CPO有望重塑光通信产业链,推动光模块从插拔到封闭模块的转变

随着数据中心和人工智能应用的快速发展，对CPO技术的需求不断上升。CPO技术被认为是实现高集成、低功耗、低成本、小体积的最佳包装方案之一，被业界公认为未来更高速度光通信的主流产品形式，预计将成为未来行业竞争的主要焦点。从长远来看，随着技术的不断发展和市场的逐步扩张，CPO有望重塑光通信产业链，推动光模块从插拔到封闭模块的转变。根据市场研究机构LightCounting的预测，CPO技术的出货量预计将从800G和1.6T端口逐步增加，并于2024年至2025年开始商业化。CPO技术有望在2026年至2027年实现大规模量产，市场份额将保持快速增长。据预测，到2025年800G CPO出货量将超过100万，800G和1.6T CPO总销售额将超过2亿美元。到2026-2027年，800G和1.6T 预计CPO市场份额将保持70%以上的同比增长，并在2027年突破8亿美元大关。CPO有望成为云供应商数据中心的主导能源技术，最初将应用于超大型数据中心，然后低延迟和高速应用将促进CPO的需求，人工智能、机器学习等领域已成为主要的驱动因素。01CPO行业概述

在传统的光通信系统中，光模块与芯片之间的连接往往相当复杂，这不仅增加了系统的复杂性和成本，而且降低了通信效率。随着CPO技术的出现，这种情况发生了根本性的变化。光学CPO共包装（co-packaged optics，CPO）该技术采用创新的包装方法，将光模块和芯片紧密包装在同一包装体内，从而大大降低了它们之间的连接长度和距离。简单来说，CPO就是将光模块不断靠近交换芯片，缩短芯片与模块之间的接线距离，逐渐取代可插拔光模块，最终将光引擎和电交换芯片封装成芯片。CPO技术通过包装光收发器/光引擎和电芯片，只保留光口作为与外界的接口，实现了光模块包装技术的重要突破。该包装有效地缩短了光发动机与交换芯片之间的距离，从而降低了整个系统的功耗，提高了信号密度，减少了数据传输的延迟。此外，共包装光学技术大大缩短了IC与光发动机之间的距离，从而降低了Serdes的功耗，提高了集成度，有效避免了多通道可插拔光模块良率下降的问题。CPO方案绕过了传统光模块中的DSP(数字信号处理)单元和散热结构，采用了硅光子模块与超大型CMOS芯片的共包装。对数据中心而言，光纤的单芯容量有限，通常只有100-400g。要实现大规模数据吞吐，需要不断增加通道数量。CPO技术可以满足这一需求。通过提高集成度，可以在有限的空间内容纳更多的通道，从而大大提高数据中心的吞吐量。根据相关数据，光学连接所需的功率有望在采用CPO技术后降低50%以上。这意味着数据中心不仅可以保证高性能，还可以实现更绿色、更节能的操作，在人工智能和高性能计算场景下具有更明显的竞争优势。CPO技术目前正处于产业化初期，尽管其潜力巨大，但仍面临着一系列亟待解决的关键技术问题。CPO在技术、仿真、测试等方面都面临着严峻的技术挑战。包装工艺能力是制约CPO技术发展的关键因素之一。CPO包装涉及TSV(硅通孔)、TGV(玻璃通孔)等先进复杂的包装技术。这些技术各有优缺点，需要在研发制造过程中不断探索和优化，才能找到最可靠的解决方案。CPO技术的发展也面临着许多其他挑战。例如，如何选择合适的光发动机调制方案，以确保数据传输的准确性和稳定性；如何构建光发动机内部设备之间的包装，实现高效的光电转换和信号传输；以及如何实现可行的高耦合效率光源耦合，以提高整体光学性能。根据市场研究机构CIR的报告，在CPO技术发展初期，即2023年，超大数据中心的CPO设备收入将占CPO市场总收入的80%。这表明CPO技术的部署将在很大程度上受到数据中心交换率的推动。随着数据中心交换率的不断提高，对CPO技术的需求也将继续增长。因此，解决上述关键技术问题，促进CPO技术产业化，对满足未来数据中心的需求具有重要意义。02CPO行业竞争格局梳理

目前，1.6T光模块正在加快商业化步伐，市场需求已初步显现，预计将成为2025年发展的核心趋势。根据Yole的数据，CPO市场将在2025年之前主要由1.6T光引擎引领。随着速度的不断迭代，2025年后3.2T光引擎的市场份额将迅速上升，1.6T的市场份额将逐渐下降。预计2030年6.4T光发动机将开始大规模成交量，推动整体市场空间快速增长。随着共包装光学技术的不断成熟和成本的降低，采用该技术的光模块将逐步实现大规模应用。2023年11月，英伟达发布了第一款GPU新产品H200，配备HBM3e内存。根据英伟达最新的产品路线图，计划在2024年推出性能更高的B100 GPU产品、配套IB交换机Quantum和以太网交换机Spectrum也将升级为800G接口。这一发展趋势将进一步促进网络连接端口速率的提高，从而加快1.6T光模块的商业化进程。目前，包括中际旭创、新易盛、光迅科技在内的国内多家光模块企业已宣布推出1.6T光模块产品。这些产品主要使用100G电接口 Serdes和光接口单波200G技术表明，相关企业已经具备了一定的产品成熟度。据中际旭创介绍，其AI大客户已明确提出对1.6T光模块的需求，以满足未来更大带宽、更高计算能力的GPU需求。这一需求变化表明，1.6T光模块将在未来的数据中心和人工智能计算领域发挥重要作用。中际徐创预计，2024年1.6T光模块的主要工作将集中在测试、认证和小批量需求上，而真正的大规模生产和应用将于2025年开始。CPO厂商主要进展情况：资料来源：自2020年以来，招商证券CPO已逐步从学术研究成果转变为满足市场需求的产品。世界上许多具有不同背景的大型制造商已经开始布局该领域的研发。目前AWS、微软、Meta、思科、博通、谷歌等云计算巨头Marvell、IBM、英特尔，英伟达，AMD、台积电、格芯、Ranovus等网络设备的领导者和芯片领导者都对CPO相关技术和产品进行了前瞻性的布局，并促进了CPO的标准化。Meta和微软联合成立了CPO联盟，旨在吸引各细分行业的龙头企业加入，共同推动CPO标准的建立和产品的发展。英特尔、博通、美满科技等行业龙头企业推出了多款基于CPO的量产产品。英特尔在其技术路线图中提到，XPU可能与未来的光引擎相结合，利用光信号实现芯片之间的数据通信。2020年，该公司展示了业内首款基于CPO技术的交换机产品，采用了12.8TbpsBarefoot Tofino2芯片和1.6Tbps光引擎共同包装。此外，英特尔还与Ayarlabs合作，报道了2022年由FPGA和硅光芯片组成的optical IO链路首次验证了5.12Tbps带宽的信号互连。Intel 1.6 T硅光发动机和12.8T可编程以太网交换机集成CPO交换机实物：思科通过并购Lightwire、Luxtera、硅光企业，如Acacia，开发CPO技术。Acacia于2020年推出了400G硅光模块方案。该方案首先将单独的光设备集成到PIC芯片中，然后与自主研发的DSP电芯片集成到SOI上，最后将外部激光器包装成光模块。Acacia还与芯片制造商Inphi在CPO技术领域合作，计划在未来推出基于CPO技术的51.2Tbps交换机。CPO领域在中国的发展还处于发展阶段。与国外企业相比，国内企业一般进入CPO领域较晚，产品开发进度和技术研究存在一定差距。CCITA领导的CPO标准作为中国唯一的原始CPO技术标准，与国内光模块、光收发芯片、电驱放大芯片、光源、连接器等制造商合作，结合国内外光互连技术发展和应用场景的差异，共同打造更适合中国的CPO标准。这一举措有望促进国内CPO技术的快速发展和应用。中国包括光迅科技、恒通光电、中际徐创、华工科技、新易盛、通宇通信、海信、博创科技、剑桥科技、联特科技、瑞捷网络等厂商，已开始涉足光电共包装领域；华为、腾讯、阿里巴巴等大型制造商也进入了设备制造商和终端用户。凭借400G时代的先发优势，国内领先厂商有望继续在高速光模块时代取得领先优势，在共包装光学领域取得突破。部分国内厂商CPO进展情况：数据来源：天府通信、联特科技等大数据时代光电包装技术的机遇与挑战，正在积极拓展业务领域，与国际行业巨头合作，共同开发创新的CPO光引擎。随着光模块代际更新的周期性规律，下游市场对功耗、成本等关键指标提出了更高的要求。这促使了CPO、硅光等技术的不断渗透和普及，为更多的光模块制造商打开了进入高端产品供应链的大门。这一趋势不仅给这些企业带来了转型升级的机遇，而且随着供应成本的逐步降低，光模块企业的盈利能力有望稳定甚至进一步提高，从而在整个行业形成更加良性的发展周期。随着人工智能大模型训练量的快速增长，人工智能服务器集群的建设需求也急剧增加。这不仅促进了集群内部通信技术的创新，也催生了对人工智能数据交换机、高速光模块等高性能设备的明确需求。加快高端光模块和CPO定位进程，提高自主创新能力，已成为我国光通信行业面临的重要任务。目前，CPO还有许多关键技术问题需要解决，如如何选择光发动机的调制方案、如何包装框架光发动机内部设备以及如何实现可行的高耦合效率光源耦合。像EML这样的传统基础、DML等分立式光学引擎的设计方法基本上不能满足Co-packaging对空间的一些要求。从行业趋势来看，CPO将成为51.2T交换机时代的重要技术流派，几年内成为光通信行业不可缺少的技术。同时，结合硅光技术，将最大限度地发挥共包装产品的优势。精选乐晴智库