下一代数据中心与高性能计算：OIO 光互连技术新突破

在当今科技飞速发展的时代，数据中心和高性能计算领域正面临着前所未有的挑战与机遇。本文将深度解析下一代数据中心的核心 ——OIO 芯片级光互连的技术、挑战与未来。

当我们关注当前热门的 NVIDIA Blackwell 架构或 Grace Hopper 超级芯片时，往往只看到其强大的单体算力。然而，芯片间的通信瓶颈，即带宽墙与功耗墙，正逐渐成为制约其发展的关键因素。传统电 I/O 技术利用电子通过铜线传输数据，不仅性能受限、利用率下降，还存在能耗巨大、信号衰减等问题。随着算力增长的瓶颈从计算本身转向连接，OIO（Optical Input/Output）技术应运而生，它有望开启一个全新的计算时代。

随着带宽需求的增加，光模块和交换机ASIC的容量在过去十年中都迅速增长。铜互连的电子I/O在满足下一代计算架构对带宽密度、功率效率、延迟和传输距离的要求方面面临巨大挑战，包括云计算、高性能计算（HPC）、人工智能（AI）、网络等。

然而，由于对大带宽、高密度、低功耗和高性价比的要求，可插拔光模块的发展遇到了巨大的挑战，OIO（光输入输出）技术是一种利用大带宽、高密度光接口解决交换机ASIC、CPU、GPU等大容量芯片I/O扇出问题的方法。光入芯核，OIO是光电融合的终极形态。

光电同构技术部分研究

目前，OIO技术在开关中的应用需要通过光学引擎（OE）和激光源的结合来实现。OIO应用的说明性图如图1.1所示，例如，51.2 Tb/s交换机由ASIC芯片、16个OE和16个PELS组成。每个 OE 传输 3.2Tb/s，总共 32 个 LD/Rx 通道，并通过光连接向交换机 ASIC 提供光 I/O。外部激光源 （ELS） 为 OE 产生连续波长 （CW） 激光，通过外部调制解决方案将 ASIC 输出的电信号转换为光信号。它并非简单的光模块小型化，而是将光子学与微电子学在芯片层面进行深度协同设计，从根本上改变数据传输的方式。

OIO技术的激光源通过两种方法解决：一种是利用外部激光源提供非调制激光器，另一种是在硅光子芯片上集成激光二极管。

在外置激光器解决方案中，ELS可分为可插拔外置激光源（PELS）和板载外置激光源两种。板载外部激光源直接设置到开关中。与集成激光二极管相比，该解决方案更加成熟。此外，激光器和ASIC之间的光连接可以固定在交换机中，减少光连接接口损耗。然而，与硅光子芯片上的集成激光二极管类似，该解决方案不能单独取代激光器。它还需要备份。可插拔外部激光源解决方案通过前面板为交换机提供激光源，就像可插拔光模块一样。该开关通过特定的光电连接端口实现驱动和光连接。

图显示了三种技术解决方案。PELS散热环境好，所以温度最低。集成硅激光器和芯片在同一块PCB上，需要额外的散热，因此温度最高。一般来说，PELS在可靠性、可作性、可维护性、可维护性和稳定性方面具有优势。相比于CPO（共封装光学）或LPO（线性驱动光模块），OIO在带宽密度、能效比和延迟上实现了数量级的提升，是未来实现ZB（泽字节）级别数据交换的必然选择。

由于外部激光器的输出光功率远大于可插拔光模块，出于激光安全考虑，PELS的电光（E/O）连接器应设计在同一侧（朝向开关），如图1.4所示。在该方案中，电接口和光接口设置在同一侧。因此，需要采用新的接口规范来支持光电接口。由于连接器在开关内部，而光接口和电气接口是在同一个接口中制作的，因此接口（尤其是光接口）的清洁会变得非常复杂和困难。设计因素应包括分支或波融合应用、每个波长的功率、光纤数量、连接器类型、光纤分离和排列。

OIO的成熟度与商业化进程，将成为下一代AI算力基础设施的胜负手。其产业链涉及半导体、光通信、先进封装等多个领域，将催生新的产业分工模式，并重塑全球半导体价值链。这一领域的前景也吸引了资本的关注，据Technavio预测，从2023年到2028年，全球光互连市场规模将增长168亿美元，年均复合增长率高达20.62%。

光电同构，架构颠覆

OIO的技术架构之所以具备革命性，在于它实现了计算与通信在物理层面的深度融合。

●芯粒(Chiplet)与3D封装： OIO架构巧妙地借助了2.5D/3D先进封装技术，例如台积电（TSMC）的CoWoS。它将负责光收发的光引擎（I/O Die）与计算核心（Compute Die）以芯粒的形式并排放置在同一基板上，实现毫米级的超短距离互连。这种设计带来的带宽密度可以达到惊人的5 Tbps/mm，将数据传输能力提升到了新的维度。

●外置光源与微环调制： 当前主流的OIO方案，如Ayar Labs的技术路径，普遍采用外置激光源（ELS）。激光器被放置在芯片封装之外，通过光纤将稳定、高质量的光源泵入芯片。在芯片内部，数据通过微环谐振器（MRR）这样的硅光器件进行高速调制。这种设计的优势在于将发热量最大的激光器与计算核心物理隔离，同时微环调制器本身能效极高，可低至3 pJ/bit，极大地缓解了功耗问题。

●协议协同与无缝通信： OIO并非要推翻现有的计算生态。它通过UCIe等开放的芯粒互联标准，能够将CXL、NVLink等上层协议的数据包（Flits）无缝转换为光信号进行传输。这意味着从一颗芯片到另一颗芯片的通信，可以在一个计算体系内高效完成，绕过了传统基于以太网协议的机柜间通信，让数据搬运更为直接和高效。

三座大山，量产之困

尽管前景广阔，但OIO的商业化与规模化量产之路，仍面临着“三座大山”般的严峻挑战，展现了其技术实现的艰巨性。

●异质集成之难： 这是最核心的工艺瓶颈。OIO需要在硅基衬底上集成III-V族材料（用于发光的光源）和硅基波导、调制器等。两种材料晶格常数、热膨胀系数的巨大差异导致制造良率成为最大障碍，匿名人士向「数聚势能」透露，业内顶尖水平的良率仍低于60%。IBM等机构正在探索通过微转移印刷等技术来突破这一难题，但距离大规模量产仍有距离。

●极致散热之困： 将光路和电路高密度地封装在一起，带来了巨大的热管理挑战。据测算，OIO芯片的局部热流密度可超过300W/cm²。传统风冷早已无能为力，这要求液冷、新热界面材料（如纳米银烧结）等下一代散热技术的协同创新，以确保芯片在极端工况下的稳定运行。

●高精度测试之艰： OIO对测试提出了全新的要求。它不仅需要对10^-15量级的超低误码率（BER）进行精确测量，还需要在晶圆级对光链路损耗、器件性能进行自动化、高通量的在片测试。同时，光电混合芯片的长期可靠性也需要遵循比传统芯片更为严苛的标准，例如升级版的Telcordia GR-468，这对测试设备和方法学都是全新的挑战。

群雄逐鹿OIO，生态之争

OIO带来的不仅是技术变革，更是对现有产业格局的深刻重塑，一场围绕新生态的竞争已经拉开序幕。两大阵营对垒： 目前，行业内已初步形成两大阵营。

一方是以Intel为代表的垂直整合模式，其利用自身从芯片设计到制造的全栈能力，试图打造一个闭环的硅光生态系统。另一方则是以台积电/博通为代表的开放生态模式，Foundry（如台积电）专注于提供标准化的硅光制造工艺，芯片设计公司（如博通、Ayar Labs、Xscape Photonics）在此基础上进行产品开发，再交由封装厂完成集成。据「数聚势能」获悉，AI巨头英伟达就同时押注了Ayar Labs与Xscape Photonics，意在通过多元化投资，加速开放生态的成熟。

产业链价值重构： OIO的兴起，将彻底改变传统产业链的角色分工。传统光模块厂商面临转型压力，需要向更底层的芯片和封装领域渗透。芯片设计公司（EDA）需要提供支持光电协同设计的全新工具链。设备商需要开发用于光子晶圆制造和测试的新设备。而像台积电这样的晶圆代工厂，其在先进封装领域的领导地位将得到进一步巩固，成为新生态中的核心枢纽。台积电近年来在美国亚利桑那州高达650亿美元的投资，并规划建设生产2纳米芯片的工厂，也为其在下一代光电融合技术上的竞争储备了弹药。

中国的机遇与策略： 在这场变革中，中国拥有庞大的应用市场和完整的电子制造产业链，短期内，可采取技术跟随+场景创新的策略。

在光源、EDA、先进封装等关键环节奋力追赶，同时利用国内在AI大模型、下一代通信等领域的巨大需求，寻找差异化的应用场景作为突破口，以市场换技术，逐步建立起自主可控的OIO产业链。

产业专家怎么说

在由中国光学工程学会主办，中国光学工程学会，光电融合专委会、《光电融合-前沿与工程》期刊等共同承办的光电融合大会，来自中兴、光迅、华为、腾讯、阿里、百度、联通、奇点光子、摩尔线程、中国科学院半导体研究所、上海交通大学、国防科技大学、浙江大学等企业和科研机构的专家汇聚一堂。

针对高速光互连中CPO、OIO、可插拔光模块技术的成熟度、功耗、可维护性、产业链的协同和未来发展等方面进行研讨，分享前沿洞察，探讨在超大规模数据中心快速发展的背景下如何定位与协同发展。

CPO 与 OIO 作为高度集成化的光电融合技术，因强耦合、系统封闭的特点，引发终端用户对 “生态封闭性” 的担忧。相比之下，OIO 因与芯粒耦合的互联特性，集成一体性更高，标准和生态构建的难度也更大。专家一致认为，打破 “封闭” 局限需依靠开放平台搭建、标准化流程推进及多厂商协同合作。

CPO 与 OIO 已具备一定技术成熟度，但在生态支持、运维体系与标准制定上仍存挑战，且三者并非对立关系，应根据应用场景混合部署、长期共存，同时强调 “技术决定路径，需求决定节奏”，光电融合落地需兼顾运维性、可扩展性与经济性，呼吁产业界加强平台建设、推动标准化与 “竞合” 协作。

决胜未来，算力无疆

总而言之，OIO是解决未来算力互连瓶颈的范式革命，其实现路径虽然充满挑战，但全球的产业力量已经集结。

展望未来，其发展路径将分阶段展开：

●近期（2025-2027）： 这将是一个混合架构的过渡期。以NVIDIA即将推出的Rubin平台为标志，采用外置光源（ELS）的OIO方案将率先落地，成为主流。同时，UCIe标准的普及将驱动一个初步的开放生态走向成熟。

●远期（2028+）： 这将是全集成光芯片的时代。随着异质集成技术的良率取得突破性进展，激光光源将被直接集成进芯片封装乃至片上，标准化的硅光Foundry工艺将大幅降低设计门槛和成本，届时OIO技术有望在数据中心、AI计算集群中全面爆发。

OIO不仅仅是光通信技术的胜利，更是半导体定律得以延续、人工智能潜力得以充分释放的基石。可以说，掌握OIO，就是掌握了通往下一个计算纪元的钥匙。

OIO 是解决未来算力互连瓶颈的范式革命，其实现路径虽然充满挑战，但全球的产业力量已经集结。掌握 OIO，就是掌握了通往下一个计算纪元的钥匙。由芯师爷主办的第七届硬核芯生态大会暨 2025 汽车芯片技术创新与应用论坛将于 9 月 11 日在深圳国际会展中心 16 号馆正式举办，届时将汇集半导体全产业链的领军者，共同探讨如何把握芯片本土化的窗口期，抓住中国新兴市场的发展机会。