¿Qué es el CPO de óptica empaquetada? La guía para las interconexiones de centros de datos de IA de próxima-generación
Jul 11, 2026
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TL;DR:La óptica coempaquetada (CPO) es una tecnología de integración heterogénea avanzada que empaqueta motores ópticos (transceptores) y chips de interruptor eléctrico (ASIC) juntos en un único sustrato común, reemplazando las tradicionales trazas de placas de cobre con conexiones ópticas directas de alta-densidad en escala milimétrica-.Al colocar los transceptores ópticos-a menudo denominados chips fotónicos-directamente dentro del paquete del interruptor en lugar de como módulos separados en el panel frontal, CPO reduce la ruta de la señal eléctrica de centímetros a milímetros. Esta arquitectura revolucionaria reduce drásticamente el consumo de energía hasta en un 70 %, aumenta la densidad del ancho de banda y elimina los límites físicos del cableado de cobre en los clústeres de IA y los centros de datos de hiperescala de próxima-generación. Si te estas preguntando¿Qué es la óptica empaquetada?y por qué es la clave para escalar la futura infraestructura de red, esta guía técnica integral desglosa su funcionamiento interno, estructuras de empaque, eficiencia energética y actores clave de la industria.
Las redes de alta-velocidad se han topado con un muro físico que el cableado de cobre tradicional no puede superar. A medida que los clústeres de inteligencia artificial (IA) crecen, los cables de cobre luchan por manejar velocidades de datos masivas sin consumir energía ni generar calor extremo.
¿Cómo mantenemos el flujo de datos a 800G, 1,6T y más sin derretir nuestros interruptores?
La respuesta está en un cambio arquitectónico innovador: la óptica empaquetada (CPO). Pero¿Qué es la óptica empaquetada?¿Y por qué de repente es la tecnología-de la que más se habla en la industria de las comunicaciones ópticas?
En COBTEL, con más de 20 años en la industria de cableado de redes y comunicaciones ópticas, hemos vistotipos de transceptores de fibraevolucionar desde módulos 1G SFP hasta las configuraciones actuales de 1.6T. CPO es el siguiente paso, y comprenderlo es fundamental para cualquiera que diseñe redes para IA, nube o computación de alto-rendimiento.
¿Qué es la óptica empaquetada (CPO)?
La óptica coempaquetada (CPO) es una tecnología avanzada de integración heterogénea que empaqueta motores ópticos (transceptores) y chips de interruptor eléctrico (ASIC) juntos en un solo sustrato, reemplazando largas trazas de placas de cobre con conexiones ópticas directas de alta densidad-escala milimétrica-escala milimétrica.
En su nivel fundamental, la óptica co-empaquetada (CPO) representa una transición de un sistema transceptor modular a un sistema de chip co-empaquetado altamente integrado. Para entender el CPO, piense en un transceptor óptico tradicional como un "traductor de oficina". En una configuración estándar, este traductor se encuentra en el borde del conmutador (el panel frontal). Cuando el chip del interruptor principal (el altavoz) quiere enviar datos, tiene que gritar a través de un largo y ruidoso rastro de cobre de PCB, a través de conectores, hasta el panel frontal. Luego, el traductor en el panel frontal traduce esas señales eléctricas en luz y las envía por la fibra.
CPO traslada al traductor directamente a la misma oficina que el orador. Al sacar el motor óptico (la parte que convierte la electricidad en luz) de la caja del panel-frontal separado y colocarlo directamente en el mismo sustrato de múltiples-chips que el interruptor principal ASIC, la distancia de viaje de las señales eléctricas se reduce de varios centímetros a solo 2 a 5 milímetros. Debido a que esta distancia es tan corta, la potencia necesaria para enviar señales de alta-frecuencia disminuye drásticamente, lo que prácticamente elimina la degradación de la señal y los errores de transmisión.
Usando otra analogía cotidiana: los módulos ópticos tradicionales son como ubicar su centro de distribución de envíos en una ciudad vecina. Cada vez que quieres entregar un paquete, tienes que conducir un camión por una larga carretera. CPO es como trasladar el centro de distribución directamente al lado del almacén de su fábrica. La distancia recorrida se reduce de unos pocos centímetros a unos pocos milímetros.
Debido a que la distancia de viaje es tan corta, no se necesita tanta energía para enviar la señal, lo que reduce drásticamente la pérdida de energía y los errores de transmisión.
Aquí hay una comparación rápida que muestra cómo CPO cambia el paradigma:
Característica
Módulo enchufable tradicional
Óptica empaquetada (CPO)
Colocación del motor óptico
Panel frontal del interruptor
Dentro del interruptor, en el sustrato del chip.
Longitud del camino eléctrico
10 a 30 centímetros
2 a 5 milímetros
Consumo de energía
Alto (debido a largos caminos de cobre)
Bajo (hasta un 70% de ahorro de energía)
Dependencia de DSP
Alto (requiere sintonización de señal intensa)
Bajo (a menudo puede eliminar el DSP por completo)
Mantenimiento y cambio
Fácil (intercambiable-en caliente desde el frente)
Complejo (requiere diseño modular especializado)
Comprender qué es un módulo óptico en su nivel fundamental es el punto de partida para comprender el CPO. Mientras que los módulos tradicionales son cajas externas independientes y conectables, el CPO representa una transición de un "sistema modular" a un "sistema de chip empaquetado".
¿Por qué los módulos enchufables tradicionales alcanzan sus límites físicos?
Los módulos conectables tradicionales alcanzan sus límites físicos a velocidades de un solo-canal de 224 Gbps porque las señales eléctricas de alta-frecuencia se degradan rápidamente a través de los rastros de la placa de cobre, lo que requiere procesadores de señales digitales (DSP) que consumen mucha energía-para restaurar la integridad de la señal. Durante los últimos 20 años, los transceptores enchufables han sido la base de las comunicaciones de datos. Si un módulo se rompía, un ingeniero podía sacarlo e insertar uno nuevo sin apagar todo el interruptor. Esta simplicidad plug-and-play hizo que escalar los centros de datos fuera increíblemente fácil.
Sin embargo, a medida que las velocidades de un solo-canal avanzan hacia los 224 Gbps, las señales eléctricas de alta-frecuencia sufren una atenuación extrema (pérdida de intensidad de la señal) cuando viajan a través de pistas de cobre en una placa de circuito impreso (PCB). A estas velocidades, la señal se deteriora tan rápido que llega como un lío de ruido borroso. Para limpiarlo, los transceptores tradicionales dependen de un chip de procesador de señal digital (DSP), que actúa como un reconstructor de alta-velocidad. Sin embargo, un único chip DSP dentro de un módulo óptico puede consumir entre 5 y 10 vatios de energía, lo que genera cuellos de botella térmicos extremos cuando se multiplica por docenas de transceptores. CPO resuelve esto eliminando la ruta de cobre casi por completo.
¿Cómo ahorra CPO tanta energía?
Los enormes beneficios-de ahorro de energía del CPO provienen de dos áreas principales:
Eliminar o reducir el tamaño del DSP:Debido a que la distancia entre el chip conmutador (ASIC) y el motor óptico CPO es de sólo unos pocos milímetros, la señal eléctrica permanece nítida y limpia. El sistema ya no necesita un DSP pesado y consumidor de energía-para realizar una restauración de señal compleja, cortando instantáneamente de 5 a 10 vatios de energía por puerto.
Reducción de la potencia del conductor:Cuando las líneas de señal son cortas, los amplificadores eléctricos (controladores) no necesitan aplicar tanto voltaje para cruzar la brecha. Esto reduce la potencia del controlador a una fracción de lo que requieren los sistemas tradicionales.
Ahorro por-puerto:Según los datos publicados por NVIDIA, cambiar a un diseño habilitado para CPO-reduce el consumo de energía de cada puerto de 30 vatios a solo 9 vatios (una disminución del 70%).
Ahorros en todo el sistema: en la ampliación-de las arquitecturas de IA, el análisis de hardware de Meta mostró que un módulo enchufable tradicional de 800 G consume aproximadamente 15 W, mientras que el motor óptico dentro del conmutador Bailly CPO de Broadcom consume solo 5,4 W por cada 800 G de ancho de banda entregado (un ahorro de energía del 65 %). Esta eliminación del calor a nivel del chip hace que la informática de IA ecológica y altamente sostenible sea una realidad.
¿Cómo se ve por dentro un sistema CPO?
Un sistema CPO estándar consta de tres componentes principales: un motor fotónico de silicio para conversión electro{0}}óptica, un conjunto de fibra óptica (FAU) de alta-precisión para conectividad externa y un chip conmutador de circuito integrado (ASIC) específico de aplicación-que actúa como cerebro.
Dentro de un diseño óptico empaquetado conjuntamente, el diseño físico cambia de una placa-extendida a un microsistema integrado y muy denso. Aquí se muestran los tres pilares que conforman su interior:
El motor de fotónica de silicio (PIC):Se basa en la fotónica de silicio (SiPh). Los circuitos integrados fotónicos (PIC) se fabrican utilizando procesos CMOS estándar, lo que permite imprimir guías de ondas ópticas microscópicas, moduladores y detectores directamente en un chip de silicio.
Unidad de matriz de fibra (FAU) de alta-precisión:Una vez que el PIC convierte las señales eléctricas en luz, la FAU alinea docenas de fibras individuales con los puertos ópticos del PIC con precisión microscópica (tolerancias de cara de extremo- de nivel de micrones).
El Switch ASIC (Core Brain):El procesador central que gestiona el enrutamiento de la red, ubicado directamente al lado del PIC en un único sustrato de paquete de múltiples-chips mediante apilamiento 2,5D o 3D.
La fuente láser externa (ELS): colocar la bombilla fuera del horno
Hay un desafío de diseño importante dentro de un paquete de CPO: el calor. El interruptor de silicio ASIC se calienta increíblemente (funciona como un horno pequeño), pero los láseres son muy sensibles a la temperatura. Si un chip láser se calienta demasiado, su eficiencia disminuye y su vida útil se desploma.
Para solucionar esto, las arquitecturas CPO utilizan una fuente láser externa (ELS). El emisor láser se saca completamente del paquete del chip caliente y se coloca en el panel frontal frío del interruptor. Luego, los cables de fibra óptica de alta-densidad guían la luz láser no modulada desde el panel frontal hacia el motor CPO del chip.
Este diseño mantiene las "bombillas{0}}sensibles al calor" a salvo del "horno", lo que hace que el sistema sea mucho más confiable. Para dominar la dinámica de estos componentes, resulta muy útil estudiar las partes principales de un transceptor óptico.
Principales tipos de estructuras de embalaje de módulos ópticos CPO
La forma en que los ingenieros organizan, conectan y apilan físicamente los chips ópticos y eléctricos define la estructura del empaque de CPO. Hoy en día, la industria se ha decidido por tres estructuras principales: embalaje 2D, 2,5D y 3D.
1. 2Embalaje D (integración-lado-lado)
En una configuración 2D, el circuito integrado electrónico (EIC) y el circuito integrado fotónico (PIC) se colocan uno al lado del otro en el mismo sustrato orgánico o PCB.
CPO de unión de cables:El EIC y el PIC se conectan al sustrato y finos cables dorados cierran el espacio entre ellos. Si bien es muy flexible y sencillo de construir, los bucles de cables crean una alta capacitancia parásita, lo que limita el rendimiento de alta-velocidad.
Voltear-Chip CPO:Los chips se voltean y pequeñas protuberancias metálicas los conectan a un sustrato cerámico. Esto proporciona una ruta de señal más corta y mejores térmicas, pero los sustratos cerámicos multi-capas son caros.
Empaquetado a nivel de oblea-abanico-(FOWLP):El PIC y el EIC se moldean en una capa de polímero sintético y sobre ellos se imprimen líneas metálicas de alta-densidad (capas de redistribución o RDL) para unirlos. Esto elimina por completo las uniones de cables y los golpes, creando un módulo muy delgado y de alto-rendimiento.
Ejemplo del mundo real-:El conmutador CPO Bailly 51.2T de Broadcom utiliza FOWLP para empaquetar ocho motores ópticos alrededor del conmutador central ASIC.
2. 2.5D Packaging (integración basada en interposer-)
El embalaje 2.5D introduce una capa adicional llamadaintercaladorentre los chips activos y el sustrato inferior. Los chips activos se ubican encima de este intercalador, que contiene un cableado microscópico increíblemente denso para enrutar señales entre ellos.
Intercalador de silicio:El PIC y el EIC se asientan sobre una fina capa de silicio. Esto coincide perfectamente con la expansión térmica de los chips, evitando la deformación física. Sin embargo, el silicio es un semiconductor, lo que puede provocar que señales de alta-frecuencia transfieran energía al sustrato.
Intercalador de vidrio:Las virutas se asientan sobre un intercalador de vidrio. El vidrio es un aislante eléctrico excepcional que mantiene claras las señales de alta-frecuencia.
Hito OFC 2026:Intel demostró un prototipo de CPO de sustrato de vidrio-en la Conferencia de comunicación por fibra óptica de 2026, lo que demostró un aumento de 10 veces en la densidad de interconexión.
EMIB (puente de interconexión integrado de múltiples-die):En lugar de un intercalador gigante y costoso, se incrusta un pequeño y delgado "puente" de silicio dentro del sustrato orgánico justo debajo de los bordes del chip para unirlos. Esto ahorra dinero y mantiene una excelente integridad de la señal.
3. 3Embalaje D (apilamiento vertical)
El packaging 3D representa la última evolución del CPO. En lugar de colocar los chips ópticos y eléctricos uno al lado del otro, los ingenieros los apilan verticalmente, uno directamente encima del otro.
PIC como intercalador:El chip electrónico (EIC) se apila directamente encima del chip óptico (PIC) mediante un enlace híbrido avanzado de cobre-a-cobre.
Estándar de plataforma:La plataforma 3D COUPE (Compact Universal Photonic Engine) de TSMC utiliza este enfoque, reduciendo la capacitancia parásita en un increíble 85% y recortando la latencia de la señal en un 95%.
EIC como interponente:El PIC se apila encima del EIC. Esto permite que el chip electrónico caliente se conecte directamente al sustrato inferior para facilitar el enfriamiento.
Incrustación de sustrato orgánico:La fotónica de silicio está integrada directamente dentro de un sustrato orgánico, utilizando-guías de ondas de polímero integradas para dirigir la luz. Esto es muy rentable-pero propenso a deformarse bajo un calor intenso.
A continuación se presenta un resumen de las compensaciones entre estos tres enfoques estructurales:
Tipo de embalaje
Densidad de interconexión
Integridad de la señal
Costo de fabricación
Gestión Térmica
Preparación comercial (a partir de 2026)
Embalaje 2D
Moderado
Moderado
Bajo a moderado
Justo
Maduro (Broadcom Bailly, Cisco SiliconOne)
Embalaje 2.5D
Alto
Alto
Alto
Bien
Ampliación (sistemas CoWoS)
Embalaje 3D
Ultra-alto
Excelente
muy alto
Desafiante (requiere refrigeración líquida)
Emergentes (NVIDIA Quantum-X800, TSMC COUPE)
¿Quién está construyendo CPO? El mapa del ecosistema global
CPO no es un esfuerzo localizado; ha provocado una colaboración global masiva en el diseño de silicio, embalaje avanzado, fabricación láser e infraestructura de cableado físico.
1. Gigantes internacionales del silicio y los sistemas
Nvidia:El impulsor más agresivo de la comercialización de CPO. El conmutador CPO con refrigeración líquida Quantum-X800 Q3450-LD de NVIDIA (que utiliza la plataforma 3D COUPE de TSMC) ofrece 115,2 Tbps de ancho de banda total en 144 puertos, eliminando por completo el DSP para ahorrar más de 3 kilovatios de energía por bastidor de conmutador.
Broadcom:El pionero temprano. Después de su conmutador CPO Bailly 51.2T, Broadcom presentó el ASIC Tomahawk 6 Davisson CPO, que logró velocidades de canal único-de 200 Gbps y redujo el consumo de energía óptica en un 70 %.
Intel:Aprovechando más de 20 años de investigación, Intel se está centrando en las interconexiones de computación óptica (OCI) para vincular chips de CPU y GPU directamente mediante rutas ópticas de alto-ancho de banda.
Cisco y Marvell:Creación de enrutadores SiliconOne CPO personalizados y motores 3D Silicon Photonics integrados directamente dentro de XPU personalizadas.
2. Fundiciones de semiconductores
TSMC:Proporciona el motor de fabricación fundamental con su plataforma COUPE, lo que permite la unión híbrida 3D de alto-volumen de circuitos ópticos y eléctricos.
GlobalFoundries (GF Fotonix) y Tower Semiconductor:Ofreciendo plataformas de diseño de fotónica de silicio abiertas y altamente estandarizadas para creadores de tecnología clave.
3. Líderes de la cadena de suministro y de los componentes
Alineación de precisión (FAU):Tianfu Telecom es un líder mundial en fabricación de FAU de alta-precisión y motores ligeros de 1,6 T, y actúa como proveedor principal de sistemas CPO de IA de -alta gama.
Emisores láser (ELS):Lumentum y Coherent son desarrolladores líderes de fuentes láser externas. Mientras tanto, empresas como Yuanjie Technology han construido una sólida posición en el mercado suministrando chips láser CW-DFB.
Infraestructura de interruptores y refrigeración:Ruijie Networks, H3C y especialistas en refrigeración como Envic proporcionan configuraciones de refrigeración líquida listas para CPO-para gestionar altas cargas de calor.
4. El Papel de COBTEL en el Ecosistema
Como fabricante OEM de componentes ópticos avanzados, COBTEL desempeña un papel crucial en la capa de infraestructura física. Los sistemas CPO utilizan un número de fibras increíblemente alto para enrutar la luz y las señales láser. Nuestros cables de conexión de fibra MPO de alta-precisión y gabinetes de servidor personalizados están diseñados específicamente para admitir las tolerancias sub-micrónicas y la alta densidad que requieren los conmutadores CPO y los aceleradores de IA.
¿CPO reemplazará completamente a los módulos enchufables tradicionales?
No, el CPO y los módulos ópticos conectables coexistirán-en el futuro previsible, ya que los conectables siguen siendo ideales para enlaces de larga-distancia, altamente flexibles y-intercambiables en caliente, mientras que el CPO apunta a clústeres de IA de corto-alcance y ultra-densos. Los dispositivos conectables siguen siendo el rey indiscutible de las interconexiones de centros de datos (DCI) de larga-distancia, donde el intercambio rápido-en caliente-del panel frontal es esencial. CPO es el maestro definitivo de las aplicaciones de ancho de banda ultra-de corta-distancia-de menos de 100 metros, como clústeres de GPU-a-GPU en cargas de trabajo de IA donde la densidad del ancho de banda y el ahorro de energía son las máximas prioridades. La óptica casi-empaquetada (NPO) sirve como paso puente, colocando el motor óptico en la placa base junto al ASIC para acortar significativamente la ruta eléctrica sin la complejidad inicial del empaquetado CPO 3D completo.
Conectables: rey de la larga distancia y la flexibilidad
Para interconexiones de centros de datos (DCI) de larga-distancia-como vincular dos centros de datos en una ciudad o estado-los módulos conectables tradicionales como nuestro transceptor óptico 800G de alta-capacidad seguirán siendo el estándar.
Estos enlaces no necesitan una integración de chip ultra-densa, pero sí una gran flexibilidad. Si falla un transmisor de larga-distancia, cambiar un módulo enchufable del panel-frontal tarda unos segundos y mantiene el resto del interruptor en funcionamiento.
CPO: maestro en ancho de banda de corta-distancia y ultra-alto
La casa de CPO está dentro del grupo de IA. Para conectar GPU a otras GPU, o vincular conmutadores principales dentro de una sola sala donde las distancias son cortas (menos de 100 metros), la densidad del ancho de banda y el ahorro de energía son las principales prioridades.
En este espacio, CPO no tiene rival.
Los analistas de la industria estiman que el CPO representará aproximadamente el 1 % de los módulos ópticos relacionados con la IA- enviados. Sin embargo, a medida que las arquitecturas de 1,6T y 3,2T crezcan, se prevé que la penetración del mercado de CPO aumente al 20%-35% entre 2028 y 2030.
El trampolín: óptica casi-empaquetada (NPO)
Dado que el salto de los tradicionales enchufables a los CPO completos es técnicamente complejo, la industria ha adoptado un paso intermedio llamado Near-Óptica empaquetada (NPO).
Comprensión¿Qué es un módulo de enlace óptico?en su nivel fundamental es el punto de partida para comprender el CPO. Mientras que los módulos tradicionales son cajas externas independientes y conectables, el CPO representa una transición de un "sistema modular" a un "sistema de chip empaquetado".
¿Por qué los módulos enchufables tradicionales alcanzan sus límites físicos?
Los módulos conectables tradicionales alcanzan sus límites físicos a velocidades de un solo-canal de 224 Gbps porque las señales eléctricas de alta-frecuencia se degradan rápidamente a través de los rastros de la placa de cobre, lo que requiere procesadores de señales digitales (DSP) que consumen mucha energía-para restaurar la integridad de la señal.
Durante los últimos 20 años, los transceptores enchufables han sido la base de las comunicaciones de datos. Si un módulo se rompía, un ingeniero podía sacarlo e insertar uno nuevo sin apagar todo el interruptor. Esta simplicidad plug-and-play hizo que ampliar los centros de datos fuera increíblemente fácil.
Sin embargo, a medida que aumentamos las velocidades de un único-canal hacia 224 Gbps, nos topamos de frente-con las leyes de la física. Las señales eléctricas de alta-frecuencia sufren una atenuación extrema (pérdida de intensidad de la señal) cuando viajan a través de pistas de cobre en una placa de circuito impreso (PCB).
A 224 Gbps, la señal eléctrica se deteriora tan rápido que cuando recorre entre 10 y 30 centímetros de placa de cobre para llegar al módulo enchufable, está completamente distorsionada. Llega pareciendo un lío de ruido confuso.
Para solucionar este problema, los transceptores tradicionales se basan en un chip de procesador de señal digital (DSP). El DSP actúa como un reconstructor de alta-velocidad, utilizando matemáticas complejas para "adivinar" cómo era la señal original y limpiarla.
Pero los DSP consumen mucha energía-y son caros. Un único chip DSP dentro de un módulo óptico puede consumir entre 5 y 10 vatios de potencia. Multiplique eso por docenas de transceptores conectados a un único interruptor de alta-densidad y obtendrá un problema térmico enorme. La placa frontal del interruptor se convierte en un horno virtual.
Incluso nuestro altamente optimizadoTransceptores 400G QSFP-DDLleva el diseño enchufable a sus límites absolutos de ingeniería. Más allá de estas velocidades, intentar que las trazas de cobre funcionen ya no es una cuestión de mejorar la fabricación; es un cuello de botella físico. CPO resuelve esto no tratando de mejorar el cobre, sino eliminando el camino del cobre casi por completo.
¿Cómo ahorra CPO tanta energía?
CPO ahorra energía al reducir la ruta eléctrica de varios centímetros a unos pocos milímetros, lo que permite a los sistemas eliminar o reducir los DSP que consumen mucha energía-y reducir los requisitos del controlador láser.
Los beneficios-de ahorro de energía del CPO provienen de dos áreas principales:
1. Eliminar o reducir el tamaño del DSP
Debido a que la distancia entre el chip conmutador (ASIC) y el motor óptico CPO es de sólo unos pocos milímetros, la señal eléctrica casi no tiene espacio para degradarse. Llega crujiente y limpio.
Esto significa que el sistema no necesita un DSP pesado y que consume mucha energía-para realizar una restauración de señal compleja. En muchos diseños de CPO, el DSP se puede eliminar por completo. Esto reduce instantáneamente de 5 a 10 vatios de consumo de energía por puerto.
2. Reducir la potencia del conductor
Cuando las líneas de señal son cortas, los amplificadores eléctricos (controladores) no necesitan aplicar tanto voltaje para transmitir la señal. Esto reduce la potencia del controlador a una fracción de lo que requieren los sistemas tradicionales.
Los ahorros de energía-en el mundo real derivados de este cambio son espectaculares:
Ahorro por-puerto:Según los datos publicados por NVIDIA, cambiar a un diseño compatible con CPO-reduce el consumo de energía de cada puerto.de 30 vatios a solo 9 vatios(una disminución del 70%).
Sistema-Ahorros en todo el sistema:Al escalar-arquitecturas de IA, el análisis de hardware de Meta mostró que un módulo enchufable tradicional de 800G consume aproximadamente 15W, mientras que el motor óptico internoEl conmutador Bailly CPO de Broadcom consume solo 5,4 W por 800Gdel ancho de banda entregado (un ahorro de energía del 65%).
Ahorrar energía no sólo reduce tu factura de electricidad; también reduce los costos de enfriamiento. En grupos masivos de entrenamiento de IA, enfriar el hardware a menudo requiere casi tanta energía como ejecutar los propios procesadores. Al eliminar el calor a nivel del chip, CPO hace realidad la informática de IA ecológica y altamente sostenible.
¿Cómo se ve por dentro un sistema CPO?
Un sistema CPO estándar consta de tres componentes principales: un motor fotónico de silicio para conversión electro{0}}óptica, un conjunto de fibra óptica (FAU) de alta-precisión para conectividad externa y un chip conmutador de circuito integrado (ASIC) específico de aplicación-que actúa como cerebro.
Dentro de un diseño óptico empaquetado conjuntamente, el diseño físico cambia de una placa-extendida a un microsistema integrado y muy denso. Aquí se muestran los tres pilares que conforman su interior:
1. El motor fotónico de silicio (PIC)
A diferencia de los transceptores tradicionales que utilizan láseres y componentes ópticos individuales y separados, CPO se basa en fotónica de silicio (SiPh). Los circuitos integrados fotónicos (PIC) se fabrican utilizando procesos de silicio CMOS estándar (las mismas fábricas que fabrican las CPU de las computadoras). Esto permite a los ingenieros imprimir guías de ondas ópticas microscópicas, moduladores y detectores directamente en un chip de silicio.
2. Unidad de matriz de fibra (FAU) de alta-precisión
Una vez que el motor fotónico de silicio convierte las señales eléctricas en luz, esa luz debe canalizarse hacia fibras de vidrio. La Unidad de matriz de fibras (FAU) alinea docenas de fibras individuales con los puertos ópticos del PIC con precisión microscópica. Debido a que los núcleos ópticos tienen sólo unos pocos micrómetros de ancho, incluso una pequeña desalineación puede arruinar la conexión.
Cuando fabricamos MPO de alta-densidad y conjuntos de fibra de ruptura en COBTEL, el pulido frontal-de extremo-a nivel de micras ya es un importante enfoque de ingeniería. En los sistemas CPO, esta precisión se escala directamente sobre el sustrato del chip.
3. El Switch ASIC (Core Brain)
Este es el procesador central que gestiona el enrutamiento de la red. En CPO, este enorme chip se coloca directamente al lado del motor fotónico de silicio en un único sustrato de paquete multi-chip utilizando tecnologías de empaquetado avanzadas (como apilamiento 2,5D o 3D).
La fuente láser externa (ELS): colocar la bombilla fuera del horno
Hay un desafío de diseño importante dentro de un paquete de CPO: el calor. El interruptor de silicio ASIC se calienta increíblemente (funciona como un horno pequeño), pero los láseres son muy sensibles a la temperatura. Si un chip láser se calienta demasiado, su eficiencia disminuye y su vida útil se desploma.
Para solucionar esto, las arquitecturas CPO utilizan una fuente láser externa (ELS). El emisor láser se saca completamente del paquete del chip caliente y se coloca en el panel frontal frío del interruptor. Luego, los cables de fibra óptica de alta-densidad guían la luz láser no modulada desde el panel frontal hacia el motor CPO del chip.
Este diseño mantiene las "bombillas{0}}sensibles al calor" a salvo del "horno", lo que hace que el sistema sea mucho más confiable. Para dominar la dinámica de estos componentes, es muy útil estudiar laPartes principales de un transceptor óptico. .
Principales tipos de estructuras de embalaje de módulos ópticos CPO
La forma en que los ingenieros organizan, conectan y apilan físicamente los chips ópticos y eléctricos define la estructura del empaque de CPO. Hoy en día, la industria se ha decidido por tres estructuras principales: embalaje 2D, 2,5D y 3D.
1. 2Embalaje D (integración-lado-lado)
En una configuración 2D, el circuito integrado electrónico (EIC) y el circuito integrado fotónico (PIC) se colocan uno al lado del otro en el mismo sustrato orgánico o PCB.
CPO de unión de cables:El EIC y el PIC se conectan al sustrato y finos cables dorados cierran el espacio entre ellos. Si bien es muy flexible y sencillo de construir, los bucles de cables crean una alta capacitancia parásita, lo que limita el rendimiento de alta-velocidad.
Voltear-Chip CPO:Los chips se voltean y pequeñas protuberancias metálicas los conectan a un sustrato cerámico. Esto proporciona una ruta de señal más corta y mejores térmicas, pero los sustratos cerámicos multi-capas son caros.
Empaquetado a nivel de oblea-abanico-(FOWLP):
Los chips electrónicos (EIC) y los chips ópticos (PIC) están integrados en un sustrato de compuesto de moldeo epoxi (EMC), y la interconexión optoelectrónica se logra a través de una capa de redistribución (RDL). Esto elimina por completo las uniones de cables y los golpes, creando un módulo muy delgado y de alto-rendimiento. Este diseño elimina las uniones de cables o los golpes, lo que produce un paquete compacto, de alto-rendimiento y alta-densidad que acorta las líneas de interconexión y optimiza la integridad de la señal. El chip ocupa poco espacio y está conectado al sustrato ASIC a través de la región de distribución en abanico. Sin embargo, el proceso es complejo e implica la reconstitución de la oblea, el moldeo y la formación de la capa de redistribución (RDL), y cada paso afecta la confiabilidad del paquete. La reconstitución de la oblea requiere una alta precisión de posicionamiento, y el desajuste del coeficiente de expansión térmica (CTE) durante el moldeo puede provocar fácilmente la deformación de la oblea y el desplazamiento del chip.
Una sección transversal-de empaquetamiento óptico híbrido basado en la plataforma FOWLP, adecuado para (a) aplicaciones multimodo y (b) monomodo-. En los envases multimodo, la dirección de propagación de la luz es vertical; en el embalaje óptico monomodo-, es lateral.
Ejemplo del mundo-real:El conmutador CPO Bailly 51.2T de Broadcom utiliza FOWLP para empaquetar ocho motores ópticos alrededor del conmutador central ASIC.
2. 2.5D Packaging (integración basada en interposer-)
El embalaje 2.5D introduce una capa adicional llamadaintercaladorentre los chips activos y el sustrato inferior. Los chips activos se ubican encima de este intercalador, que contiene un cableado microscópico increíblemente denso para enrutar señales entre ellos.
Intercalador de silicio:
PIC y EIC están unidos por un chip invertido- a un interposer de silicio, que presenta una estructura RDL de múltiples-capas y puede contener TSV (a través de-Silicon Vias) para la conexión a la PCB. Las ventajas incluyen una alta densidad de integración, un perfil delgado, protuberancias integradas, buena coincidencia de CTE con los materiales del chip, deformación reducida, confiabilidad mejorada e interconexión eléctrica de alto-ancho de banda. Sin embargo, enfrenta un alto costo (debido a la fabricación de TSV y la oxidación de la capa de aislamiento) y un rendimiento eléctrico deficiente (el silicio es un semiconductor, lo que lleva a un fuerte acoplamiento electromagnético con el sustrato durante la transmisión de la señal, lo que genera corrientes parásitas y afecta la integridad de la señal).
Intercalador de vidrio:Las virutas se asientan sobre un intercalador de vidrio. El vidrio es un aislante eléctrico excepcional que mantiene claras las señales de alta-frecuencia.
Los componentes como PIC, controladores y TIA están unidos por chip flip-a un sustrato de soporte de vidrio. Las señales ópticas se transmiten a través de guías de ondas en la parte posterior del sustrato portador de vidrio y se acoplan a fibras ópticas. Las señales eléctricas se enrutan a través de vías de vidrio metalizadas (TGV) en el sustrato portador de vidrio. El vidrio tiene un módulo de Young y una dureza más altos, y su coeficiente de expansión térmica puede igualar al de las placas de silicio y PCB, lo que reduce la tensión interna del sistema, minimiza la deformación en chips grandes y mejora el rendimiento y la confiabilidad. Sin embargo, el vidrio es quebradizo y químicamente inerte; Los TGV tienen grandes diámetros; el tiempo y el costo del revestimiento son altos; su mala adherencia a los metales puede provocar delaminación; y la disipación de calor es pobre.
Solución CPO basada en Corning Glass-
EMIB (puente de interconexión integrado de múltiples-die):En lugar de un intercalador gigante y costoso, se incrusta un pequeño y delgado "puente" de silicio dentro del sustrato orgánico justo debajo de los bordes del chip para unirlos. Esto ahorra dinero y mantiene una excelente integridad de la señal.
3. 3Embalaje D (apilamiento vertical)
El packaging 3D representa la última evolución del CPO. En lugar de colocar los chips ópticos y eléctricos uno al lado del otro, los ingenieros los apilan verticalmente, uno directamente encima del otro.
PIC como intercalador:El chip electrónico (EIC) se apila directamente encima del chip óptico (PIC) mediante un enlace híbrido avanzado de cobre-a-cobre.
Estándar de plataforma:La plataforma 3D COUPE (Compact Universal Photonic Engine) de TSMC utiliza este enfoque, reduciendo la capacitancia parásita en un increíble 85% y recortando la latencia de la señal en un 95%.
Los chips ASIC y los chips optoelectrónicos (OE) (o módulos MEM-Comp y módulos OE) se apilan en un intercalador PIC, que logra una interconexión eléctrica horizontal y vertical a través de interconexiones metálicas y TSV. Esto reduce aún más el tamaño del paquete, acorta la longitud de interconexión de chip-a-chip, logra una integración de alta densidad, reduce el retraso de transmisión y el ruido, minimiza la pérdida de chip y mejora la confiabilidad de la expansión térmica. La tecnología de unión SoIC de TSMC puede minimizar los efectos parásitos en la interfaz EIC-PIC, mejorando la potencia y el rendimiento. Sin embargo, el proceso de fabricación es complejo, con costes elevados y requisitos estrictos en cuanto a materiales y precisión de fabricación. El proceso de fabricación de TSV (mediante apertura, deposición de aislamiento/barrera/capas de semillas, relleno de cobre, pulido químico mecánico, adelgazamiento de obleas, unión de obleas, etc.) es un desafío técnico y afecta directamente el rendimiento de TSV y la confiabilidad del empaque 3D.
EIC como interponente:El PIC se apila encima del EIC. Esto permite que el chip electrónico caliente se conecte directamente al sustrato inferior para facilitar el enfriamiento.
El PIC está unido con un chip invertido encima del EIC y luego el EIC se interconecta con el chip ASIC a través de un sustrato. Por ejemplo, la solución de Broadcom integra un chip de conmutación Tomahawk 4 de 25,6 Tbps con cuatro motores ópticos CPO en un solo conmutador, cada motor óptico admite 3,2 Tbps. Esto también logra una alta densidad de integración e interconexiones cortas. De manera similar al uso del PIC como intercalador, la complejidad y el costo del empaquetado 3D son los principales desafíos.
Incrustación de sustrato orgánico:La fotónica de silicio está integrada directamente dentro de un sustrato orgánico, utilizando-guías de ondas de polímero integradas para dirigir la luz. Esto es muy rentable-pero propenso a deformarse bajo un calor intenso.
Los chips transceptores fotónicos de silicio están integrados en un sustrato orgánico y conectados a una interfaz de fibra-óptica mediante guías de ondas de polímero. La capa RDL se fabrica directamente sobre el chip fotónico de silicio integrado y la capa intermedia, que se conecta al LSI. Esto ofrece un bajo costo de fabricación, una integración de chip mejorada y un rendimiento de transmisión de señal mejorado. Sin embargo, el intercalador orgánico tiene un alto coeficiente de expansión térmica (CTE) y una mala estabilidad dimensional, lo que limita el ancho de la línea de interconexión y la densidad de E/S. También presenta una conductividad térmica deficiente, una disipación de calor inadecuada, un módulo elástico bajo y es propenso a deformarse durante la fabricación.
Diagrama esquemático de un intercalador integrado de -fotónica- de silicio
A continuación se presenta un resumen de las compensaciones entre estos tres enfoques estructurales:
Tipo de embalaje
Densidad de interconexión
Integridad de la señal
Costo de fabricación
Gestión Térmica
Preparación comercial (a partir de 2026)
Embalaje 2D
Moderado
Moderado
Bajo a moderado
Justo
Maduro (Broadcom Bailly, Cisco SiliconOne)
Embalaje 2.5D
Alto
Alto
Alto
Bien
Ampliación (sistemas CoWoS)
Embalaje 3D
Ultra-alto
Excelente
muy alto
Desafiante (requiere refrigeración líquida)
Emergentes (NVIDIA Quantum-X800, TSMC COUPE)
¿Quién está construyendo CPO? El mapa del ecosistema global
CPO no es un esfuerzo localizado; ha provocado una colaboración global masiva en el diseño de silicio, embalaje avanzado, fabricación láser e infraestructura de cableado físico.
1. Gigantes internacionales del silicio y los sistemas
Nvidia : El impulsor más agresivo de la comercialización de CPO. El conmutador CPO con refrigeración líquida Quantum-X800 Q3450-LD de NVIDIA (que utiliza la plataforma 3D COUPE de TSMC) ofrece115,2 Tbps de ancho de banda totalen 144 puertos, eliminando completamente el DSP para ahorrar más de 3 kilovatios de energía por rack de conmutadores.
Broadcom : El pionero temprano. Después de su conmutador CPO Bailly 51.2T, Broadcom presentó el ASIC Tomahawk 6 Davisson CPO, que logró velocidades de canal único-de 200 Gbps y redujo el consumo de energía óptica en un 70 %.
Intel : Aprovechando más de 20 años de investigación, Intel se está centrando en las interconexiones de computación óptica (OCI) para vincular chips de CPU y GPU directamente mediante rutas ópticas de alto-ancho de banda.
cisco & maravilla : Creación de enrutadores SiliconOne CPO personalizados y motores 3D Silicon Photonics integrados directamente dentro de XPU personalizadas.
2. Fundiciones de semiconductores
TSMC:Proporciona el motor de fabricación fundamental con su plataforma COUPE, lo que permite la unión híbrida 3D de alto-volumen de circuitos ópticos y eléctricos.
GlobalFoundries (GF Fotonix) y Tower Semiconductor:Ofreciendo plataformas de diseño de fotónica de silicio abiertas y altamente estandarizadas para creadores de tecnología clave.
3. Líderes de la cadena de suministro y de los componentes
Alineación de precisión (FAU):Tianfu Telecom es un líder mundial en fabricación de FAU de alta-precisión y motores ligeros de 1,6 T, y actúa como proveedor principal de sistemas CPO de IA de -alta gama.
Emisores láser (ELS):Lumentum y Coherent son desarrolladores líderes de fuentes láser externas. Mientras tanto, empresas como Yuanjie Technology han construido una sólida posición en el mercado suministrando chips láser CW-DFB.
Infraestructura de interruptores y refrigeración:Ruijie Networks, H3C y especialistas en refrigeración como Envic proporcionan configuraciones de refrigeración líquida listas para CPO-para gestionar altas cargas de calor.
4. El Papel de COBTEL en el Ecosistema
Como fabricante OEM de componentes ópticos avanzados, COBTEL desempeña un papel crucial en la capa de infraestructura física. Los sistemas CPO utilizan un número de fibras increíblemente alto para enrutar la luz y las señales láser. Nuestra alta-precisiónCordones de conexión de fibra MPOy personalizadogabinetes de servidorestán diseñados específicamente para admitir las tolerancias sub-micrónicas y la alta densidad que requieren los conmutadores CPO y los aceleradores de IA.
¿CPO reemplazará completamente a los módulos enchufables tradicionales?
No, el CPO y los módulos ópticos conectables coexistirán-en el futuro previsible, ya que los conectables siguen siendo ideales para enlaces de larga-distancia, altamente flexibles y-intercambiables en caliente, mientras que el CPO apunta a clústeres de IA de corto-alcance y ultra-densos.
A pesar del gran entusiasmo que rodea a la óptica empaquetada conjuntamente, no es un reemplazo "único-para-para-todos" los módulos enchufables tradicionales. En cambio, las dos tecnologías coexistirán-y cada una desempeñará funciones diferentes en la red.
Conectables: rey de la larga distancia y la flexibilidad
Para interconexiones de centros de datos (DCI) de larga-distancia-como vincular dos centros de datos en una ciudad o estado-módulos conectables tradicionales como nuestros de alta-capacidadTransceptor óptico de 800Gseguirá siendo el estándar.
Estos enlaces no necesitan una integración de chip ultra-densa, pero sí una gran flexibilidad. Si falla un transmisor de larga-distancia, cambiar un módulo enchufable del panel-frontal tarda unos segundos y mantiene el resto del interruptor en funcionamiento.
CPO: maestro en ancho de banda de corta-distancia y ultra-alto
La casa de CPO está dentro del grupo de IA. Para conectar GPU a otras GPU, o vincular conmutadores principales dentro de una sola sala donde las distancias son cortas (menos de 100 metros), la densidad del ancho de banda y el ahorro de energía son las principales prioridades.
En este espacio, CPO no tiene rival.
Los analistas de la industria estiman que el CPO representará aproximadamente el 1 % de los módulos ópticos relacionados con la IA- enviados. Sin embargo, a medida que las arquitecturas de 1,6T y 3,2T crezcan, se prevé que la penetración del mercado de CPO aumente al 20%-35% entre 2028 y 2030.
El trampolín: óptica casi-empaquetada (NPO)
Dado que el salto de los tradicionales enchufables a los CPO completos es técnicamente complejo, la industria ha adoptado un paso intermedio llamado Near-Óptica empaquetada (NPO).
En NPO, el motor óptico no se coloca sobre el costoso sustrato de silicio con el ASIC. En cambio, se encuentra en la placa base justo al lado del ASIC. Esto acorta significativamente la ruta eléctrica en comparación con los enchufables, pero evita los altos costos de embalaje y los desafíos térmicos del CPO completo. Sirve como un trampolín confiable para los operadores de centros de datos que desean una mayor eficiencia sin los riesgos de fabricación de la integración 3D.
COBTEL: La "pieza del rompecabezas óptico" física para la potencia informática de la IA
A medida que las redes pasan de arquitecturas tradicionales a ópticas empaquetadas, la demanda de cableado físico preciso y de baja-pérdida aumenta exponencialmente. Un conmutador CPO puede empaquetar sus motores ópticos en-chip, pero esos motores aún necesitan conectarse al mundo exterior a través de cientos de fibras ópticas.
Aquí es donde entran en juego los 20+ años de experiencia en fabricación de COBTEL.
Proporcionamos la infraestructura física completa que admite transiciones ópticas de alta-velocidad:
Conjuntos pulidos sub-micrónicos:Nuestros cables MPO y de fibra de alta-densidad garantizan que las interfaces de fibra-a-chip sufran una pérdida de inserción mínima.
Conectables de alta-velocidad:Seguimos fabricando robustostipos de transceptores de fibrade 10G a 800G, lo que admite implementaciones de redes híbridas donde los sistemas conectables y CPO se ejecutan uno al lado del otro.
Gabinetes de cableado integrados:Nuestros racks estructurales para servidores y herramientas de administración de cables están diseñados para organizar los enormes paquetes de fibra que exigen los sistemas CPO, garantizando una refrigeración óptima y seguridad del radio de curvatura-.
Cuando diseñamos conjuntos de fibra de alta-densidad y configuraciones de conexión MPO para entornos de hiperescala, nuestro equipo de ingeniería se centra en gran medida en el pulido sub-micrónico y la gestión personalizada del gabinete para evitar cualquier degradación de la señal. Controlamos todo el proceso-desde el diseño y la fabricación de moldes-hasta las pruebas y el ensamblaje automatizado-garantizando que sus capas físicas estén completamente preparadas para la próxima generación de informática.
Preguntas frecuentes
1. ¿Cuál es la diferencia entre la óptica empaquetada y los transceptores ópticos enchufables?
Los transceptores enchufables son módulos independientes-intercambiables en caliente que se insertan en el panel frontal de un conmutador y se comunican con el chip del conmutador a través de largas pistas de PCB de cobre. La óptica empaquetada (CPO) integra el motor óptico directamente con el chip del interruptor en un solo sustrato, lo que reduce la ruta de la señal eléctrica a solo unos pocos milímetros para ahorrar energía y mejorar la calidad de la señal.
2. ¿Por qué CPO utiliza fotónica de silicio en lugar de chips láser tradicionales?
CPO utiliza fotónica de silicio porque permite fabricar componentes ópticos utilizando equipos semiconductores CMOS estándar, lo que permite construir guías de ondas ópticas microscópicas y moduladores directamente sobre una matriz de silicio. Esto hace posible producir-en masa y empaquetar motores ópticos junto con procesadores de computadora y ASIC de conmutación en el mismo entorno de sala limpia.
3. ¿Qué es la óptica casi-empaquetada (NPO) y en qué se diferencia de la CPO?
La óptica casi-empaquetada (NPO) es un diseño de transición en el que los motores ópticos se ubican en la placa base del conmutador inmediatamente al lado del chip del conmutador en lugar de compartir el mismo sustrato de silicio. NPO ofrece una ruta de señal mucho más corta que los tradicionales enchufes de panel frontal-al tiempo que evita las complejidades térmicas, de rendimiento y de alineación extremas de la óptica totalmente empaquetada (CPO).
4. ¿Qué infraestructura de cableado requiere un conmutador CPO?
Debido a que los conmutadores CPO incluyen cientos de canales ópticos en un área muy pequeña, requieren conjuntos de fibra óptica de alta-densidad y baja-pérdida, utilizando principalmente cables de conexión MPO/MTP de múltiples-fibras y paneles de conexión de fibra de alta-densidad-diseñados a medida. Las conexiones precisas,-libres de polvo y los conectores pulidos sub-micrónicos son absolutamente críticos para evitar la degradación de la señal a estas velocidades ultra-altas.
5. ¿Cómo se relaciona la refrigeración líquida con los sistemas ópticos empaquetados?
Los chips de conmutación (ASIC) funcionan increíblemente calientes y, en un sistema CPO, los motores ópticos{0}}sensibles a la temperatura están empaquetados directamente junto a ellos en el mismo sustrato. Debido a que la refrigeración por aire tradicional no puede eliminar de forma segura este calor concentrado, los interruptores CPO casi siempre dependen de placas de refrigeración líquida o sistemas de refrigeración líquida directos-a-chips para mantener tanto el ASIC como la óptica dentro de temperaturas de funcionamiento seguras.
