先进封装设计对AI制造商为何至关重要

人工智能（AI）工作负载的快速增长，正在迫使数据中心互连进行根本性的重新设计。

图：POET Blazar™ 是一款外部光源，旨在解决为下一代架构提供可扩展、可制造光源的核心挑战。

如今，构建十万张GPU集群的企业，已经不再为芯片本身而担忧。芯片的表现非常出色。真正让基础设施工程师夜不能寐的，是如何在芯片之间快速、廉价且不至于让机房“熔化”的情况下传输数据。

这就是光子技术正在解决的问题，而留给企业抢占先机的窗口期正在迅速缩小。

传统的电互连和可插拔光模块越来越难以满足带宽需求、功耗和延迟约束的指数级增长。因此，光子技术——尤其是硅光子技术——已成为下一代AI基础设施的关键使能技术。这次转型主要由三种关键架构方法定义：共封装光（Co-Packaged Optics，简称CPO）、近封装光（Near-Packaged Optics，简称NPO）以及新兴概念（常被称为超密集封装光，Extra-dense Packaged Optics，简称XPO）。它们共同构成了一条集成度的连续谱，正在重塑硬件设计和整个AI经济。

CPO、NPO和XPO的定义

共封装光（CPO） 是集成度最高的方案。它将光引擎直接封装在交换ASIC或处理器同一封装体内。将电信号路径缩短至接近零，即可在信号产生前消除大部分损耗。这种集成方式最小化了计算单元与光I/O之间的电距离，显著提升了带宽密度并降低了功耗。通过将电路径缩短至接近零，CPO减少了信号损耗和延迟，能够满足AI集群所需的超高数据速率。

近封装光（NPO） 是一种中间方案。它是为那些希望立即获得效率提升、又不愿等待完整CPO制造工艺成熟的运营商提供的务实选择。将光引擎放置在与芯片同一电路板上、距离仅几毫米的位置，即可捕获大部分功耗和信号完整性方面的改进，同时保持系统的模块化，便于大规模维护和更换。早期部署显示，与传统可插拔光模块相比，NPO可实现20%至35%的功耗降低。NPO方案在保留了CPO诸多效率优势（如降低功耗、提升信号完整性）的同时，保持了良好的模块化和可维护性。

超密集封装光（XPO） 是新定义的一种可插拔光解决方案，它提供极高密度的封装，并采用液冷进行更好的热管理。XPO旨在保留可插拔光模块的优势（多供应商、即插即用、高可维护性），同时达到与CPO或NPO相当的密度。本质上，XPO代表了光子技术未来的发展方向，它能实现跨机架、跨板卡乃至整个数据中心的灵活扩展。

光子封装为何对AI如此重要

AI训练和推理工作负载需要在GPU、内存和网络结构之间进行海量数据传输。在现代超大规模集群中，数千个加速器必须像一个单一系统一样协同工作，这对互连提出了前所未有的需求。传统铜缆电互连在超过800 Gb/s的速度下会面临严重的信号损耗、发热和功耗效率问题。

光子技术通过用光而不是电信号来传输数据来解决这些挑战。光互连提供更高的带宽、更低的距离衰减以及显著提升的能效。当与CPO和NPO等先进封装技术结合时，光子技术能带来系统性能的阶跃式提升。事实上，行业路线图显示，高度集成的光I/O将成为未来AI基础设施的必备要素。

市场机会与增长轨迹

CPO、NPO和XPO架构中的光子产业市场机会巨大且增长迅速。目前开发活动处于历史最高水平，Broadcom和NVIDIA均计划在2027年出货集成CPO的规模扩展平台。

行业预测显示，AI先进光封装市场的潜在总可寻址市场（TAM）在2027年将达到76亿美元，到2032年将增长至228亿美元，复合年增长率（CAGR）为24.6%——最乐观情况下可达340亿美元。仅CPO和NPO模块的合并市场预计到2027年就将达到约55亿美元，主要由超大规模数据中心和AI应用的需求驱动。这些数字主要涵盖交换机和网络层。当这种集成压力延伸到GPU、内存子系统以及所有涉及AI工作负载的组件时，实际市场空间远不止于此。目前引用的TAM只是地板值，而非天花板。

随着AI模型参数规模迈向万亿级别，实时推理变得无处不在，新的市场将涌现于光子集成电路（PIC）、先进封装技术、光纤创新以及协同设计软件工具等领域。

先进封装方案的效率与成本优势

推动CPO、NPO和XPO采用的最重要因素之一是能效。数据中心本身已消耗大量电力，而互连功耗进一步增加了这一总量。通过缩短（甚至完全消除）电信号传输距离，光子集成可以大幅降低每比特能耗。

CPO能提供最高的效率提升，但制造复杂度、热管理和维护难度也会相应增加。NPO则提供了更平衡的折中方案，能够实现渐进式改进，而无需对系统架构进行彻底重构。XPO则有望在保留可插拔光模块优势的同时，满足与CPO和NPO相似的密度要求。

成本节约还来自于组件数量的减少和系统设计的简化。例如，取消高功耗数字信号处理器（DSP）和长铜迹线，可以同时降低资本支出和故障率。随着时间推移，硅光子制造的规模经济效应——即“光子的半导体化”——预计将进一步推动成本下降。

POET在CPO、NPO和XPO中的作用

POET Technologies的两个外部光源（ELS）平台——POET Blazar™ 和 POET Starlight™——直接解决了为下一代芯片级光架构（包括CPO和NPO）提供可扩展、可量产光源的核心挑战。

这两个解决方案的核心都是POET Optical Interposer™平台，它能在晶圆级集成激光器、波导和无源光学元件。这种设计对于CPO、NPO和XPO架构至关重要，这些架构越来越需要紧凑、高效且成本可控的芯片相邻或芯片级光互连。这要求采用可高体积制造的紧凑、高效外部光源。

图：基于POET Optical Interposer™平台构建的POET Starlight™为AI制造商带来了显著的成本节约。

POET Starlight是一款商用就绪的封装光引擎，专为集成到AI和硅光子生态系统而设计。它将高功率连续波激光器与多路复用器、解复用器、分路器和波导等无源元件直接集成到Interposer中。这种高度集成使Starlight能够以紧凑的尺寸提供多波长、多通道光源，实现与CPO和NPO系统中ASIC及光子芯片的无缝连接。重要的是，其晶圆级无源对准技术和已知良好激光芯片的使用，可将组装复杂度和成本大幅降低——最高可达75%——同时支持高体积制造。

相比之下，POET Blazar是下一代高性能外部光源，旨在为未来CPO、NPO和XPO架构推动可扩展性和性能提升。Blazar采用晶圆级芯片级封装技术构建的高功率多通道混合激光器，可提升可靠性，同时大幅降低成本并提高可制造性。它专为支持高带宽芯片到芯片光互连而设计，这是解耦AI计算架构的核心要求。通过减少对传统分布式反馈（DFB）激光器阵列的依赖，并提高磷化铟（InP）材料的利用率，Blazar实现了更好的供应链可扩展性和成本效率，这对超大规模部署至关重要。

Starlight和Blazar共同构成了POET外部光源产品组合的基石，覆盖了光I/O架构当前和未来的需求。Starlight为CPO和NPO系统的近期部署提供了经过验证、可量产的解决方案，而Blazar则为下一代AI光互连开辟了更高功率、更高密度和更具可扩展性的光源路径。

这些解决方案消除了光封装中的关键瓶颈——尤其是激光对准、热管理和成本——使芯片级光子技术成为具有商业可行性的推动力量。

创新机会

尽管前景广阔，向光子技术的转型仍面临诸多挑战。制造良率、封装精度和光纤对准都需要新的工程解决方案。此外，标准化和互操作性仍是持续的关注点。

然而，这些挑战也代表着创新机会。那些能够开发出可靠封装技术、高效光耦合方法或可扩展光子芯片let架构的公司，将获得巨大的商业关注。

前景非常光明。CPO、NPO和XPO定义了一系列光子集成策略，正在快速改变AI基础设施。从NPO和XPO的近期部署，到完全集成的CPO系统的长期愿景，光子技术正日益成为实现下一代AI工作负载所需性能、效率和可扩展性的核心。

对于硬件制造商而言，机会显而易见：那些拥抱光子技术驱动架构的企业，将打造出更快、更节能的系统，并在日益激烈的AI竞争格局中获得决定性优势。

文章来源：https://www.poet-technologies.com/blog/why-advanced-packaging-designs-are-crucial-for-ai-manufactuers