CPO 技术新突破：博通与英伟达引领下一代网络变革

近日，博通宣布其 Tomahawk 6 - Davisson（或 TH6 - Davisson）产品正式上市。这是一款具有重大意义的共封装光纤 (CPO) 以太网交换机，能够提供高达 102.4 Tb/s 的惊人带宽。它的出现，标志着共封装的光器件正式迈入下一代网络的大门。

本月初，博通就已宣布其共封装光学器件（CPO）的质量和可读性达到业界领先水平。该公司与 Meta 合作，其 CPO 技术累计实现了 100 万小时 400G 等效端口设备 “无抖动” 运行。这一里程碑充分验证了博通 CPO 平台的成熟度、可靠性和生产就绪性，为支持人工智能和云基础设施的下一代超大规模数据中心奠定了坚实基础。对于博通而言，Meta 测试的数据证实了技术的重大发展，博通声称这代表着技术的一次重大变革，将人工智能网络提升到了一个全新的水平。

为什么是 CPO？

在大规模 AI 集群中，数千个 GPU 必须协同运行，这对处理器的互连方式提出了巨大挑战。传统的连接方式中，每个机架拥有自己的一级（架顶式）交换机，并通过短铜缆连接。但为了在多个机架之间创建一致的低延迟网络结构，交换机被移至机架末端，这极大地延长了服务器与其第一个交换机之间的距离，使得铜缆在 800 Gb/s 等高速率下变得不切实际。因此，几乎每个服务器到交换机以及交换机到交换机的链路都需要光纤连接。

在这种环境下，使用可插拔光学模块存在明显局限性。数据信号离开 ASIC 后，需穿过电路板和连接器，再转换为光信号，这种方式会产生严重的电损耗，在 200 Gb/s 通道上损耗高达约 22 分贝，需要使用复杂处理进行补偿，并将每个端口的功耗增加到 30W，还会造成潜在的故障点。随着 AI 部署规模的不断扩大，这种损耗几乎变得难以承受。

而 CPO 通过将光转换引擎与交换机 ASIC 并排嵌入，避免了传统可插拔光模块的缺点。信号无需通过长距离电气线路传输，几乎可立即耦合到光纤中，电气损耗降低至 4 分贝，每端口功耗降至 9W。这种布局省去了众多可能出现故障的组件，大大简化了光互连的实施。

博通认为，共封装光学器件 (CPO) 是一种先进的异构集成技术，将光学器件和硅片集成在单个封装基板上，旨在应对下一代带宽、功耗和成本挑战。CPO 融合了光纤、数字信号处理 (DSP)、ASIC 以及先进的封装和测试技术，为支持横向扩展和纵向扩展网络的数据中心互连提供了颠覆性的系统价值。

博通进一步指出，随着 SerDes 技术扩展到 212 Gbps PAM - 4 及更高速率，可插拔光模块内部需要高功率 DSP 来补偿信号传输过程中的路径互连损耗，且互连损耗会持续增加，需要更高功率的 DSP 补偿。线性重定时光学器件 (LRO) 或线性可插拔光学器件 (LPO) 虽试图将 DSP 从光模块内部移除，但仍受互连损耗影响。而 CPO 通过将光学器件放置在 ASIC 旁边，可提供最高的集成度、最低的路径损耗和最低功耗。

另一个重要参与者 Nvidia 也声称，通过放弃传统的可插拔收发器，将光学引擎直接集成到交换机芯片中（得益于台积电的 COUPE 平台），在效率、可靠性和可扩展性方面实现了显著提升。与可插拔模块相比，CPO 的功率效率提高了 3.5 倍，信号完整性提高了 64 倍，弹性提高了 10 倍，部署速度提高了约 30%。

博通CPO，经过验证

早在 2023 年 OFC 大会上，博通 就在探讨共封装光器件。其中包括一款速度高达 51.2Tbps 的全新博通 Tomahawk 5 Bailly 芯片。随着数据中心需要降低比特/焦耳成本，同时提高速度和可靠性，共封装光交换机被视为一项潜在的阶跃式创新。这正是博通的项目如此令人兴奋的原因。

如下图这是一款博通 Tomahawk 5 51.2Tbps 交换芯片，搭载八个 64 通道硅光引擎。

这款新芯片无需将信号以电的方式传输到交换机前端的可插拔光器件，因此能够以 5.5W 的功耗支持 800Gbps 的流量。作为参考，Tomahawk 4 Humboldt 25.6T 同封装光器件平台在 800Gbps 链路上的功耗约为 6.4W。

不过，正如博通光学系统部门营销和运营副总裁 Manish Mehta 在接受媒体采访时所说：“我们推出 CPO 时，它还处于 AI 时代之前，用于前端计算。当时，客户告诉我们，‘光收发器的功率有点高，我们认为信号完整性将面临挑战，’”“但随着向横向扩展网络中 AI 训练的迁移成为光互连的主要应用，业界已经认识到，前端云计算对链路抖动事件的容忍度在后端并不适用。”Mehta 解释道。

因此在博通推出的全新 TH6-Davisson 交换机是一款 102.4Tbps 的交换机，搭载 16 个博通 6.4Tbps Davisson DR 光学引擎。这些引擎采用了台积电紧凑型通用光子引擎 (TSMC COUPE)，旨在大幅降低交换机所需的功耗。该交换机集成了 64 个 Condor 3nm SerDes 核心。每个 Condor 核心集成了 8 个 212.5 Gb/s PAM4 SerDes。这是因为该交换机不需要在交换机封装和前插式光模块之间传输高速高功率电信号。博通表示，其功耗降低了约 70%。

新的 TH6 - Davisson 部件编号为 BCM78919，与疫情前英特尔的共封装光学器件和硅光子交换机等解决方案不同，博通采用了更现代化的配置，配备可插拔和可更换的激光模块。光源通常是故障率最高的部件，将其设为 FRU 意味着交换机可以在现场进行维修。

博通花费大量精力使用 TH5 - Bailly 平台测试其 CPO 解决方案，以证明其不仅能达到速度要求，而且 CPO 是可靠的。博通光学系统部门超大规模战略与产品总监 Rajiv Pancholy 强调，启动 CPO 平台时需要与模块竞争，证明其具有更低的功耗、更低的成本和更高的可靠性。现在，从 Meta 获得的数据表明，使用 CPO 可以使训练效率提高 90%。Mehta 补充道，Bailly 的设计初衷并非人工智能，现在已将其迁移到专为人工智能打造的方向，同时在提高光纤密度方面做了大量工作。如今，拥有 1.6TbE 的链路已经非常庞大，对于大型 AI 集群而言，能够以 800GbE 或 400GbE 的速度连接更多设备是一个巨大的优势，因为它可以帮助以更少的交换层连接更多设备。在 AI 集群中，网络功耗受到严格审查，因为它既至关重要又耗电，会占用 AI 加速器的资源。共封装光器件是该行业的下一个重大变革，从根本上重新定义了交换机的界限。

英伟达等也纷纷入局

博通高管指出，目前仍处于 CPO 的早期阶段，但改进工作没有停止的迹象。Meta 节省了 65% 的成本，可维护性故障率比可插拔式产品降低了 5 倍。据透露，该供应商目前正在研发第四代 CPO，其每通道传输速度可达 400G。

值得一提的是，Nvidia 也将推出基于 CPO 的光互连平台，适用于以太网和 InfiniBand 技术。首先，该公司计划在 2026 年初推出 Quantum-X InfiniBand 交换机。每台交换机将提供 115 Tb/s 的吞吐量，支持 144 个端口，每个端口的速率为 800 Gb/s。该系统还集成了 ASIC，具有 14.4 TFLOPS 的网络内处理能力，并支持 Nvidia 的第四代可扩展分层聚合缩减协议 (SHARP)，以降低集体操作的延迟。这些交换机将采用液冷设计。

与此同时，Nvidia 计划于 2026 年下半年通过其 Spectrum-X Photonics 平台将 CPO 引入以太网。该平台将基于 Spectrum-6 ASIC，为两款设备供电：SN6810 提供 102.4 Tb/s 带宽，拥有 128 个 800 Gb/s 端口；SN6800 则可扩展至 409.6 Tb/s，拥有 512 个相同速率的端口。两款设备也都采用液冷技术。

Nvidia 预计，其基于 CPO 的交换机将为日益庞大、日益复杂的生成式 AI 应用的新型 AI 集群提供支持。由于使用 CPO，此类集群将省去数千个分立组件，从而实现更快的安装速度、更便捷的维护，并降低每个连接的功耗。因此，使用 Quantum-X InfiniBand 和 Spectrum-X Photonics 的集群在启动时间、首次token时间和长期可靠性等指标方面均有显著提升。

Nvidia 强调，共封装光学器件并非可选增强功能，而是未来 AI 数据中心的结构性要求。这意味着该公司将把其光互连技术定位为超越 AMD 等竞争对手的机架式 AI 解决方案的关键优势之一。当然，这也是AMD 收购 Enosemi 的原因。

关于 Nvidia 的硅光子计划，值得关注的一点是，其发展与台积电 COUPE（紧凑型通用光子引擎）平台的发展紧密契合。后者预计将在未来几年内不断发展，从而提升 Nvidia 的 CPO 平台。台积电第一代 COUPE 采用该公司的 SoIC-X 封装技术，将 65 纳米电子集成电路 (EIC) 与光子集成电路 (PIC) 堆叠在一起。

台积电的 COUPE 路线图分为三个阶段。第一代是用于 OSFP 连接器的光学引擎，提供 1.6 Tb/s 的数据传输率，同时降低功耗。第二代将采用 CoWoS 封装技术，通过共封装光学器件，在主板层面实现 6.4 Tb/s 的数据传输率。第三代的目标是在处理器封装内实现 12.8 Tb/s 的数据传输率，并进一步降低功耗和延迟。

此外，Nvidia 的硅光子计划与台积电 COUPE 平台的发展紧密契合，台积电的 COUPE 路线图分为三个阶段，预计未来几年将不断发展，从而提升 Nvidia 的 CPO 平台。我们一起期待一个更完善、更高效的 CPO 时代的到来。